二部分III激光产生的基本原.ppt

,激光的基本原理及特性,第二部分 激光产生的 基本原理,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,反转分布,E,E1,E2,n1,n2,n3,E,n,玻尔兹曼分布,E1,E2,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,激光的基本原理及特性,反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益,正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收,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。,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,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。,轴向模,非轴向模,技术思想的重大突破 F-P 光谐振腔,第二部分 激光产生的 基本原理,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,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,阈值：产生激光所要需的最低能量,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,第二部分 激光产生的 基本原理,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,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，FP标准具等,(a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔,腔的构成与分类,半导体激光器 介质波导腔,2 1, 3,第二部分 激光产生的 基本原理,激光的基本原理及特性,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,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),利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗,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,只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔),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,g2,0,1,-1,1,-1,g1g2 = 1,g1g2 = 1,第二部分 激光产生的 基本原理,激光的基本原理及特性,2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式,L,（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。,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，, L，或者, 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。,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,（6）、虚共焦腔： R /2 R /2 L，,1,2, L/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,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 TEMmnqTransverse 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,第二部分 激光产生的 基本原理,激光的基本原理及特性,L,驻波场分布,纵模间隔,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,L,（3）、驻波条件（相长干涉条件）,模谱,n,n,第二部分 激光产生的 基本原理,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）,（2）旋转对称 TEMmn m暗直径数；n暗环数(半径方向),（1）x, y 轴对称 TEMmn mX向暗区数 nY向暗区数,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