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文档简介
1、,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
2、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
3、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
4、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
5、,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
6、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
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