第2部分-(IV)-激光器的工作特性.ppt

1、,激光的基本原理及特性,第二部分 激光器的 工作特性,四、激光器的基本工作特性 （一）、连续激光器的稳态工作特性 1、几个基本概念 （1）、光谱线加宽 自发辐射光谱不是单一的， 而是分布在中心频率: 附近一个很小的频率范围内。 （2）、均匀加宽, ,0,E E,h,2,1,自然加宽 N 碰撞加宽 C 晶格震动加宽,均匀加宽引起加宽的物理因素对每个原子都等同,每个发光原子都按整个线型发光,激光的基本原理及特性,（3）、非均匀加宽 多普勒加宽 晶格缺陷加宽,均匀加宽,非均匀加宽,谱线加宽,He-Ne,CO2,10,10-3 10-2,N(MHz),C(MHz),D,D(MHz),100 - 300

2、,1500,60,P(充气压力)大,C大,非均匀加宽：每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率 才有贡献。在非均匀加宽中，各种不同的粒子对g(n)中 的不同频率有贡献。,第二部分 激光器的 工作特性,激光的基本原理及特性,（4）、增益系数,z,z+dz,I(z),I(z+dz),I0,z,z,I,z,z+dz,I,I+dI,I = I0eG Z,0,光的增益系数G：光通过单位长度的 激活物质后光强增加的百分数， 其单位为：厘米1, 增益曲线 g (n) 增益系数g(n,I)相对于频率的分布 问题的提出： 外来光不是单一频率，有一定的频率分布,增益宽度 Dn 最大增益的一半处 所对应的频

3、率宽度,公式定义：,第二部分 激光器的 工作特性,激光的基本原理及特性,损耗系数 a 负增益系数,定义公式,g 已知 w(z), R(z) w0 , z,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,3. 高斯光束的q参数,1/ q(z),q 参数,(高斯光束的复曲率半径),q 参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,若已知高斯光束某一位置的q参数 w(z), R(z), ,q 参数表征高斯光束的优点: 将描述高斯光束的两个参数W(z)和R(z)统一在一个表达式中, 便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律 高斯光束三种描述方法的比较,光腰处

4、（z0）,0,在空间传输后,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,二）、高斯光束通过光学元件的变换ABCD公式,1.自由空间,2.薄透镜(透镜焦距为F）,球面波,球面波,发散(+) 会聚(-),l1,l2,R1,R2,S1,S2,物距 像距 焦距,近轴情况,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,3. 光学系统传输矩阵为 的光学系统,球面波,高斯光束 q参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同,ABCD公式,R1,R2,1,2,近轴光 , q1=q2,自由空间,透镜,球面波 高斯光束,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,三）、q参数分析高斯光束传输实例 (通过透镜的变换),已知：

5、w0, l, F 求：通过透镜后，高斯光束 参数wc, Rc,方法:由ABCD公式 qB,z=0 q0= if f = w02/ A处 qA = q0+ l B处 1/qB = 1/qA- 1/F C处 qc= qB+ lc,关键,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,=-l,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,讨论: 高斯光束成象与几何光学成象规律的比较 1. l F 即有 ( l - F )2f 2 和几何光学成象规律相同,腰斑放大率,2. l = F 时,和几何光学成象规律不同,几何光学: l=F l= (平行光) 无实象有虚象,=D,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,

6、第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,要获得良好的聚焦效果： 使用短焦距透镜 (使FF ) 双透镜聚焦,F 一定时,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,五）、高斯光束的准直改善方向性，压缩发散角, 单透镜准直效果,高斯光束通过薄透镜 当l = F 时 , w0 = F/ w0 最大, F , 长焦距透镜利于准直 w0 尽可能小, 要使 大,发散角,有限，无论l，F取何值都不可能使 说明用单透镜 不能实现准直,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,准直倍率(发散角压缩比),短焦距透镜聚焦, 使w0 ， 并聚在长焦距透镜焦点上 长焦距透镜使 F ,光腰几乎?落在焦平面上, 组成一倒装望远镜,望远镜放大倍率M, 利用倒装望远镜准直,D,L1,L2,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,六）、高斯光束的模匹配,模匹配问题的提出： 使一个激光谐振腔振荡的单模高斯光束注入到另一个谐振腔内能激发出相同的模式。 问题实质透镜变换,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性, 情况1：已知w0, w0, 确定透镜焦距F及透镜的距离 l, l,同乘,代入(2-10-18),(2-10-18),若F 确定