激光原理与技术第二章 激光器的工作原理.ppt

1、激 光 物 理,激光器的一般原理,2,激光物理,1960年第一台红宝石激光器问世后，激光技术领域迅速发展 已研制成功的激光器不下数百种，产生激光振荡的谱线已有几千条，分布于可见到近红外区，通过频率变换技术可到紫外区 最大连续输出功率已达几十万瓦，最高脉冲输出功率达百兆兆瓦 新的激光器仍在不断出现,3,国家点火装置,4,世界四大高能固体激光器,5,神光系统,6,激光器的构成,激光器由三部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦源,7,工作物质,合适的激光工作物质是构成一台激光器的首要物质前提 最重要问题是一种物质是否有合适的跃迁能级一般要求上能级E2的自发辐射寿命大于下能级E1自发辐射寿命 固体、气体、液

2、体和半导体 红宝石掺铬氧化铝晶体,8,泵浦源,激光工作物质被激活，必须有外界的激励作用，外加的激励源，即泵浦源。作用是介质中处于基态能级的粒子不断被提升到较高的激光态能级上（抽运） 光泵浦、电泵浦、化学泵浦 固体激光器一般采用脉冲氙灯、碘钨灯等光激励办法，而气体激光器采用电激励方法，通过放电直接激励工作物质 全固态激光器、光纤激光器、半导体激光器,9,谐振腔,简单的谐振腔由两个反射镜组成，一个全反，一个部分透过。 沿谐振腔轴向传播的光波在腔的两反射镜之间来回发射，反复通过激活介质，使光不断地被放大 限制模式、选择频率,10,光学谐振腔的构成,光学谐振腔的构成,最简单的光学谐振腔是在激活介质两端

3、恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。,常用的基本概念： 光轴：光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。,11,光学谐振腔的种类,谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔 开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、非稳定腔 反射镜形状，球面腔与非球面腔，端面反射腔与分布反馈腔 反射镜的多少，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔,12,闭腔、开腔、气体波导腔,闭腔,开腔,气体波导腔,固体激光器的工作物质通常具有比较高的折射率，因此在侧壁上将发生大量的全反射。如果腔的反

4、射镜紧贴激光棒的两端，则在理论上分析这类腔时，应作为介质腔来处理。半导体激光器是一种真正的介质波导腔。这类光学谐振腔称为闭腔,这是激光技术历史上最早提出的平行平面腔（F-P腔）。后来又广泛采用了由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔。从理论上分析这些腔时，通常认为侧面没有光学边界，因此将这类谐振腔称为开放式光学谐振腔，简称开腔,另一类光腔为气体波导激光谐振腔，其典型结构是一段空心介质波导管两端适当位置放置反射镜。这样，在空心介质波导管内，场服从波导中的传播规律，而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。,13,稳定腔和非稳定腔,看在腔内是否存在稳定振荡的高斯光束,14,由两块相

5、距为L、平行放置的平面反射镜构成,由两个以上的反射镜构成,双凹球面镜腔：由两块相距为L，曲率半径分别为R1和R2的凹球面反射镜构成,R1+R2=L,R1=R2=L,一般球面腔RL2R,15,光学谐振腔的作用,提供光学正反馈作用 ： 使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。 影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。,2. 产生对振荡光束的控制作用,改变腔的参数如：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射

6、率及配置,有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性好、方向性强的相干光 可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角 可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率,16,光学谐振腔的模式(波型),在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征态之中，场的每种本征态将具有一定的振荡频率和空间分布。 光学谐振腔的模式: 谐振腔内可能存在的电磁场本征态。 模式与腔的结构之间具有依赖关系 光学谐振腔的模式分为：纵模和横模,17,谐振条件和驻波条件,驻波的定义：二振幅相同的相干波，在同一直线上反向传播时迭加的结果称为驻波。,平行平面腔中平面波的往返

7、传播,光腔中的驻波,相位差：,光学长度：,驻波条件(光波波长和平行平面腔腔长)：,谐振频率(频率和平行平面腔腔长)：,18,纵模-纵向的稳定场分布,激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布 整数q称为纵模的序数，驻波系统在腔的轴线上零场强度的数目,谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍）,q阶纵模频率可以表达为：,基纵模的频率可以表达为：,纵模的频率间隔：,19,腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的,激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图,20,L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器,L=10厘米的He-Ne气体激光器,L=30厘米的He-Ne气体激光器,Ne原子的

8、中心频率：,Ne原子的中心波长：,荧光光谱线宽：,6328,21,激光器中出现的纵模数,工作原子自发辐射的荧光线宽越大，可能出现的纵模数越多。 激光器腔长越大，相邻纵模的频率间隔越小，同样的荧光谱线线宽内可以容纳的纵模数越多。,22,激光谐振腔内低阶纵模分布示意图,23,激光纵模分布示意图,24,横模-横向X-Y面内的稳定场分布,激光的模式用符号：,TEMmnq,q为纵模的序数(纵向驻波波节数)，m,n (p,l)为横模的序数。 对于方形镜，M表示X方向的节线数， N表示Y方向的节线数； 对于圆形镜， p 表示径向节线数，即暗环数，l表示角向节线数，即暗直径数,基模(横向单模)：m=n=0,

9、其它的横模称为高阶横模,方形反射镜和圆形反射镜的横模图形,25,26,(c) TEM02,(d) TEM03,(a) TEM00,(b) TEM10,27,横模电场分布及强度示意图,(a) TEM00,(b) TEM10,(c) TEM20,28,激光谐振腔内电场横模分布示意图,TEM00,29,激光谐振腔内电场横模分布示意图,TEM11,30,激光多横模振荡示意图,31,激光模式的测量方法,横模的测量方法：在光路中放置一个光屏；拍照；小孔或刀口扫描方法获得激光束的强度分布，确定激光横模的分布形状 纵模的测量方法：法卜里珀洛F-P扫描干涉仪测量，实验中利用球面扫描干涉仪,32,纵模的测量方法：

10、球面扫描干涉仪测量,测量原理：通过测量激光输出的频率谱来判定模式,33,纵模的频率间隔：,q阶纵模频率可以表达为：,34,例,1 He-Ne 激光器谐振腔长50 cm，激射波长 632.8nm，荧光光谱线宽为： 求：纵模频率间隔，谐振腔内的纵模序数及形成激光振荡的纵模数；,解:,35,激光的产生,激光振荡示意图,36,粒子数反转激励条件,三能级系统,激光的产生有三个能级 下能级，基态能级： 上能级，亚稳态能级: 泵浦带，抽运高能级：,37,粒子在能级间跃迁的过程,基态 设处于基态的粒子数为 ，泵浦源 将粒子由基态抽运到高能级 ；,高能级 设处于高能级的粒子数为,三能级系统,38,三能级系统速率

11、方程,亚稳态 亚稳态能级的粒子数为,39,三能级系统,三能级系统速率方程,各个能级粒子数随时间变化的方程为 ：,n: 总的粒子密度,40,三能级系统,至少要把系统的粒子总数一半以上提升到较高的激光态能级，才可能造成粒子数反转分布 在三能级系统中，E2能级应是亚稳态，自发跃迁几率A21较小，这样在介质中造成粒子数反转分布所需要的激励条件就要低很多 典型红宝石激光器,41,四能级系统,42,、 间的能量间隔值较热运动能量大得多，因而 几乎不会有粒子从因热运动跃迁到。同时，较大， 保证了上的粒子迅速转移到基态，从而形成很大的粒 子数反转。,四能级系统,四能级系统激光工作物质的能级结构和跃迁具有以下特

12、点,43,四能级系统,44,在一些简化条件下，S32W30, S32A30, S10W12, S10W03可得，,由N2N1，得到实现粒子数反转分布的必要条件是：,45,E1和E2间的热跃迁几率近似有如下关系：,所以有,E1-E0KT，所以,W03表示泵浦水平，A21表示上能级到下能级的自发跃迁几率 同三能级系统相比，四能级系统更容易实现粒子数反转,46,四能级系统实现粒子数反转分布，对泵浦水平要求低得多，意思四能级系统较之三能级系统更容易实现激光振荡 由上式，E1和E0能级的能量差越大，对四能级系统越有利，因此需要选择合适的工作物质 已有的性能较好的激光器绝大多数属于四能级系统,47,1.1固体激光器的基本结构及能量转换,激光器组成,48,固体激光器基本