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激光的基本原理及特性

第二部分 激光产生的 基本原理. 激光的基本原理及特性. 三、激光产生的基本原理 （一）、激光的形成及产生的基本条件 1 、粒子数反转分布. E. E. 玻尔兹曼分布. 反转分布. E 2. E 2. E 1. E 1. n. n 3. n 2. n 1. n 1. n 2. n 3. 单位时间内 STE 增加的光子数密度 单位时间内 STA 减少的光子数密度. 第二部分 激光产生的 基本原理. 激光的基本原理及特性. 正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收. 反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益.

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激光的基本原理及特性

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Presentation Transcript

  1. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 三、激光产生的基本原理 （一）、激光的形成及产生的基本条件 1、粒子数反转分布 E E 玻尔兹曼分布 反转分布 E2 E2 E1 E1 n n3 n2 n1 n1 n2 n3 单位时间内STE增加的光子数密度 单位时间内STA减少的光子数密度

  2. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益 N2 > N1 N2 < N1 增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质 为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好， 下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。

  3. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 2、激光器的基本结构 STE光子集中在几个模式 非轴向模 轴向模 技术思想的重大突破 － F-P 光谐振腔 • 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数 • 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 • 工作物质, 光学谐振腔, 激励能源是一般激光器的三个基本部分。

  4. 第二部分 激光产生的 基本原理 1、实现粒子数反转（粒子数反常分布） 2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗） 基本条件： 激光的基本原理及特性 3、激光产生的基本条件及激光形成过程 阈值：产生激光所要需的最低能量 激光形成过程： 泵浦（抽运） 粒子数反转 受激放大 振荡 放大 达到阈值 激光输出 • 粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件 • 依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡， • 实现粒子数反转 • 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一 • 光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核

  5. 第二部分 激光产生的 基本原理 h1 h2 h3 激光的基本原理及特性 （二）、光学谐振腔及激光的模式 1、光腔的构成及稳定条件 光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择 腔的构成与分类 2 < 1, 3 半导体激光器 介质波导腔 (a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔 另：折叠腔、环形腔、复合腔 复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等

  6. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 共轴球面镜腔的稳定性条件  共轴球面镜腔 两反射镜为球面镜, 有共同光轴 凹面镜 R > 0; 凸面镜 R < 0; 平面镜 R＝∞  稳定条件: 几何偏折损耗 稳定腔任何傍轴光线可以在腔内往返无限多次不会 逸出腔外 几何偏折损耗小 (低损耗腔) 非稳定腔 傍轴光线有限次反射后便逸出腔外 几何偏折损耗大(高损耗腔) 几何光学方法 两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同 • 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗

  7. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 稳定判据 表 达 式 稳定腔 其中 g2 • 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔) g1g2 = 1 1 • 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 • 小功率激光器； • 非稳腔可用于大功率激光器中， • 其优点是模体积大，还可限制 • 模式 g1 -1 0 1 g1g2 = 1 -1

  8. 第二部分 激光产生的 基本原理 R R R R R R 2 1 1 2 2 1 激光的基本原理及特性 2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式 （1）、平行平面镜腔： R ＝ R ＝ ∞ 腔的模体积大，衍射损耗比较 大，常用在固体激光器中。 L 1 2 （2）、共焦腔： R ＝ R ＝ L，腔的模体积最小，几何损耗小。 1 2 （3）、双凹腔： > L，或者 > L， < L， < L， 但： ＋ > L 腔的模体积大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。 （4）、平凹腔： 当 L ＝ R/2 时为半共焦腔， 一般也常用于中小功率激光器。

  9. 第二部分 激光产生的 基本原理 R R 1 2 激光的基本原理及特性 2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式 （5）、实共心腔： R ＋ R ＝ 1 对称共心腔： 1 2 ＝ ＝ L/2 （6）、虚共焦腔： R /2 ＋ R /2＝ L， 1 2 • 非稳腔的特点: • 具有较大的模体积 • 具有较好的选模能力 • 能实现光束的侧向耦合输出

  10. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 3、谐振腔的纵模及驻波条件 • （1)、模式表示方法及模式特征参数 • TEMmnq－Transverse Electromagnetic wave • m, n－ 横模指数 ； q－纵模指数 • 模式主要特征： • * 场分布，谐振频率，往返损耗，发散角 沿光轴方向（纵向）场分布 E(z)－ 纵模 场分布 垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)－横模 （2）、纵模（干涉仪理论） － 具有相同的纵向场分布的模式

  11. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 （3）、驻波条件（相长干涉条件） 模谱 n n • 驻波场分布 L L • 不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布 • 纵模序数q 对应驻波场波节个数，q 很大，不计 • 纵模间隔

  12. 第二部分 激光产生的 基本原理 TEM00 TEM10 TEM20 TEM03 TEM11 TEM31 TEM00 TEM01 TEM02 TEM10 TEM20 TEM30 激光的基本原理及特性 4、横模及横模的形成 横模－相同的横向场分布的模式（不同光斑花样） （1）x, y轴对称TEMmn m－X向暗区数 n－Y向暗区数 （2）旋转对称TEMmnm－暗直径数；n－暗环数(半径方向) • 基(横)模 TEM00 • 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 • 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布氏窗、 • 反射镜等）会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。

  13. 第二部分 激光产生的 基本原理 激光的基本原理及特性 • 横模产生的原因 开腔模式形成的定性解释

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