第6次谐振腔阈值条件ppt课件

1、第三章 激光振荡与工作特性 3-2 光学谐振腔2022-1-1612022-1-1622022-1-163一、谐振腔作用谐振腔：放置在工作物质两端的反射镜，连同在腔内的光学元件就构成了谐振腔。谐振腔的作用：（1提供光学反馈作用，使光强放大影响谐振腔反馈作用的因素：a、两镜面的反射率（反射率越高，反馈能力越强）b、反射镜的曲率半径以及组合方式2022-1-164激光器内的受激发射过程，具有“自激”振荡的特点，由工作物质自发辐射诱导受激辐射，在谐振腔内来回反射，受激辐射光不断放大形成了激光。2022-1-1652根据谐振腔的稳定性，激光器可以分为稳定腔，介稳腔和非稳腔稳定腔：反馈能力强损耗小介稳腔

2、：反馈能力中损耗中非稳腔：反馈能力弱损耗大（ ）对光束的频率和方向进行选择保证输出激光的高单色性和高定向性，使光束在光轴方向传播2022-1-166二、谐振腔的分类（1）平行平面腔：两块平面镜严格平行放置就构成了平行平面腔。优点：方向性极好（发散角小），模体积较大（储存光子多，输出功率高），易实现单模输出。缺点：调整精度要求极高，损耗大，不适用于小增益工作物质。2022-1-1671212213RRLRRL（ ）球面腔由两块反射镜组成，反射镜可以是凸面镜，凹面镜，也可以有一个镜是平面镜。、凹面反射镜腔（由两个凹面镜组成）设两反射镜的曲率半径分别为 、相距 ，根据 、和 的关系，又可将凹面镜分为

3、 种2022-1-168121212=2RRLLfffRRLa、共焦腔.当曲率半径时，两凹面镜的焦点在腔内重合，两镜有同一个焦点，所以叫共焦腔。焦距为共焦腔的特点：任一条光线在腔内往返两次后重合。2022-1-1691212+=2 +2bRRLffL、共心腔.当时，两凹面镜的曲率中心在腔内重合2022-1-1610c、其余情况称为非共焦腔.两面镜的曲率中心或焦点不重合曲率中心可以在腔内、腔外、或一个在腔内，一个在腔外2022-1-16112=2RL、平面凹面镜腔（简称平凹腔）由平面反射镜和凹面反射镜共轴放置构成a.半共焦腔在共焦腔的中心放置一块平面镜就构成了半共焦腔腔长：2022-1-1612

4、. b非共焦平凹腔。除了上面这种方式以外的配置方法。2022-1-16133.3其它：平凸腔、凹凸腔、双凸腔等等。（ ）折叠腔、环形腔2022-1-16141.三、谐振腔的稳定条件非稳腔：近轴光线在谐振腔内多次反射后逸出腔外的谐振腔叫非稳腔。稳定腔：近轴光线在谐振腔内可以多次反射也不逸出腔外，这种谐振腔我们就称之为稳定腔。2022-1-161512121221212.0=020=02L0RRfRLLRRLLggRRRfRRg g腔的稳定条件规定：凹面镜曲率半径，焦距 凸面镜曲率半径，焦距用几何光学可以证明，若腔长为 ，二镜的曲谐振腔的稳定条件1(1-)(1-)01-率半径为 、，则为:（3-2

5、-1）令，则：1-12022-1-161612121212=01=EODgggggRDgR E，可以作出。稳腔区：图中空白部分稳定区阴影部分为非稳区。、 、 三点除外介稳腔：或 （）对以 为横坐标，称腔：（ 点到为纵坐标稳腔图点连线）2022-1-161712121212121212.=1.=0Oc.=12aRRggDbRRLggRRLRRgg 平行平面腔（图中 点）共焦腔 ，（图中 点）共心腔. 取，对称腔 对称腔：指两镜面曲率半径相同的谐振腔，（E点）2022-1-1618121212121212.1=212=+2A.=212dRRLggRRLggfLRRLgg 半共焦腔、（图中C点）e.

6、双凸腔，（非稳腔，图中 点）凹凸腔设、非稳腔，2022-1-161912122121212121.=1=1= 1=22LRRRRRRRggDEDggRRLEggRRLDER 1：制作一个腔长为 的激光器，用两块曲率半径相等的反射镜构成一个稳定腔，问 的取值范围是多少？解：，图中为一、三象限斜率为 的直线，落在稳定区的线段为。点 ，点 ，应线段应满足。举用用例例2022-1-162011222222.=11 0=1=:=0=LRgDKDgRKgRLRL 要构成一腔长为 的稳定平凹腔，问凹面镜曲率半径取值范围多少？解：对于平面镜，稳定腔所对应的直线为过（ ，）点的垂直直线其中只有段在稳定区点：，点

7、，平凹腔的稳定条件2022-1-162178 3.4P作业：补充：简述光学谐振腔的作用，画出谐振腔的稳区图，并在图中标出平行平面腔、共焦腔、共心腔以及半共焦腔的位置。2022-1-16220()223=四、非稳腔 选讲 激光器产生初期，为了得到激光，一般都才用稳定腔，稳定腔损耗小，易实现激光的输出。但随着高功率激光器的模体积发展，稳定腔存在一些缺点：（1）束腰半径小，光强很大，易损伤介质（ ）（见下页）小，输出功率小（ ）发散角大2022-1-162323非稳腔的优点：（1）模体积大，输出功率高。（ ）具有较好的选模能力，易实现单模 输出，提高光束的定向性和亮度（ ）能实现光束侧向输出 模体积

8、是指谐振腔中激光束传播过程中所占有的激活介质的体积。2022-1-162410,0,0 1212常用非稳腔有：、双凸腔RR2、平凸腔RR2022-1-16253、虚共焦非稳腔M2利用镜面的边缘部分作为激光器的输出，输出口径大，发散角小，准直性好,并且可实现侧向输出。12120,0RRLRR222022-1-16263-3 激光产生的阈值条件2022-1-162720,0r rxLGI1一、增益阈值条件平行平面腔两反激光产生的条件：（1) 粒子数反转分布（2）增益大射镜的反射率分别为。处，光强为 ，增益介于损耗增益系数质长度为为。2022-1-16280202202202220021GLLGLG

9、LGLGLGLIIer Ier Ierr Ierr Ierr eI111光波由左端传播到右端时，光强变为：经镜面2反射后，光强变为：，光波再传播到左端时，光强变为：光波经镜面1反射后，光强变为：若要使激光在腔内往返一次后光强激光输出变大，则：阈值条件2022-1-1629. a二、激光器的损耗（1）激光在工作物质内部的损耗介质不均匀引起的折射或散射 （导致光偏离轴线方向而逸出腔外）b.介质的光吸收（主要是介质内部 存在一些能级恰好吸收激光）这种损耗是由于介质本身引起的，称为内部损耗。2022-1-1630()0( )1 ( )( )1( ) ( )( )( )( )( )iiiiiGxdI x

10、dxI xdI xGdxI xdI xdI xdI xGI x dxI xIe 总总引入：内部损耗系数单位距离内由介质的内部损耗引起的光强的减少量与光强的比值。增益系数为：考虑内部损耗系数后，在谐振腔内的光强为：2022-1-16311212211222.,.,+ +=1+ +=1t tbSScDDr rr tSDrtSD121112（2）光在谐振腔两个镜面上的损耗a.部分透射（ , ）反射镜的吸收和散射镜面的单程衍射损耗反射系数2022-1-163212111222122+11aaaSDaSDratrat 112用 和表示两反射镜面的衍射与散射损耗之和则反射系数可以表示为：2022-1-16

11、332()22211( )ln21ln2( )iGLiirr eGrrLrrLG111由阈值条件：（3-3-6）（3-3-7）总损耗系数（3-3-8）阈值条件（3-3-9）2022-1-16341212121( )ln 1121( )2iittGatatLaattGatatLGG121212当 ， ， ， 很小时阈值，为激光产生的最小增益。越小，（越小）越容易产生激光。2022-1-163522222( )( )88( )8(33 15)( )ttttGAGnngnAgcnA c g 21212121三、粒子数密度差值的阈值（1）激光稳定时（- ）将代入2022-1-16362221=8=33

12、16( )( )ttAnc ggn 21式中 （ ）总损耗系数， 上能级寿命，线型函数。故为了容易产生激光，应尽量小，可通过使光的损耗小、光的自发辐射寿命短以及入射光的频率较低来实现。2022-1-16370222022( )2()=4=3318HHtggnc （ ）三种典型固体激光器阈值的比较均匀加宽的线型函数为洛仑兹型峰值 （ ）2022-1-1638激光器参数 红宝石钕玻璃+Nd :YAG0694.3nm1.06 m1.06m0144.32 10 Hz142.83 10 Hz142.83 10 Hz1.761.521.82H113.3 10 Hz127.0 10 Hz111.95 10 Hz33 10 s47 10s42.3 10stn1738.7 10cm1831.4 10cm1631.8 10cm2=101.00.50irr1参数：腔长Lcm