二部分III激光產(chǎn)生的基本原.ppt

,激光的基本原理及特性,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,三、激光產(chǎn)生的基本原理 （一）、激光的形成及產(chǎn)生的基本條件 1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,反轉(zhuǎn)分布,E,E1,E2,n1,n2,n3,E,n,玻爾茲曼分布,E1,E2,n1,n2,n3,單位時(shí)間內(nèi)STE增加的光子數(shù)密度 單位時(shí)間內(nèi)STA減少的光子數(shù)密度,激光的基本原理及特性,反轉(zhuǎn)分布 受激輻射 占主導(dǎo) 光放大 有增益,正常分布 受激吸收 占主導(dǎo) 光衰減，吸收,N2 N1,N2 N1,增益介質(zhì)：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì),為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到上能級(jí)的粒子數(shù)密度越多越好， 下能級(jí)的粒子數(shù)越少越好，上能級(jí)粒子數(shù)的壽命長(zhǎng)些好。,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,2、激光器的基本結(jié)構(gòu),STE光子集中在幾個(gè)模式,開(kāi)放式光諧振腔使特定（軸向）模式的增加, 其它（非軸向）模式數(shù) 逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡(jiǎn)并度。,工作物質(zhì), 光學(xué)諧振腔, 激勵(lì)能源是一般激光器的三個(gè)基本部分。,軸向模,非軸向模,技術(shù)思想的重大突破 F-P 光諧振腔,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,3、激光產(chǎn)生的基本條件及激光形成過(guò)程,激光形成過(guò)程：,泵浦（抽運(yùn)）,粒子數(shù)反轉(zhuǎn),受激放大,振蕩,放大,達(dá)到閾值,激光輸出,閾值：產(chǎn)生激光所要需的最低能量,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是STE占優(yōu)勢(shì)（產(chǎn)生激光）的前提條件 依靠外界向物質(zhì)提供能量（泵浦或稱激勵(lì)）才能打破熱平衡， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵(lì)（泵浦）能源是激光器基本組成部分之一 光(閃光燈，激光)、電(氣體放電，電注入)、化學(xué) 、核,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,（二）、光學(xué)諧振腔及激光的模式 1、光腔的構(gòu)成及穩(wěn)定條件 光學(xué)諧振腔的作用：提供反饋和模式選擇,另：折疊腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔 復(fù)合腔腔內(nèi)加入其它光學(xué)元件，如透鏡，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具等,(a) 閉腔 (b) 開(kāi)腔 (c) 氣體波導(dǎo)腔,腔的構(gòu)成與分類,半導(dǎo)體激光器 介質(zhì)波導(dǎo)腔,2 1, 3,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,非穩(wěn)定腔 傍軸光線有限次反射后便逸出腔外 幾何偏折損耗大(高損耗腔) 幾何光學(xué)方法 兩種不同的腔的理論處理方法, 設(shè)計(jì)方法不同,共軸球面鏡腔的穩(wěn)定性條件, 共軸球面鏡腔 兩反射鏡為球面鏡, 有共同光軸 凹面鏡 R 0; 凸面鏡 R 0; 平面鏡 R, 穩(wěn)定條件: 幾何偏折損耗 穩(wěn)定腔 任何傍軸光線可以在腔內(nèi)往返無(wú)限多次不會(huì) 逸出腔外 幾何偏折損耗小 (低損耗腔),利用幾何光學(xué)光線矩陣方法分析腔中的幾何偏折損耗,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,穩(wěn)定判據(jù) 表 達(dá) 式,穩(wěn)定腔 其中,只適用于簡(jiǎn)單的共軸球面鏡腔(直腔),穩(wěn)定腔因腔損耗小，適用于中、 小功率激光器； 非穩(wěn)腔可用于大功率激光器中， 其優(yōu)點(diǎn)是模體積大，還可限制 模式,g1,g2,0,1,-1,1,-1,g1g2 = 1,g1g2 = 1,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,2、激光器中常用光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)形式,L,（1）、平行平面鏡腔： R R 腔的模體積大，衍射損耗比較 大，常用在固體激光器中。,1,2,（2）、共焦腔： R R L，腔的模體積最小，幾何損耗小。,1,2,（3）、雙凹腔：, L，, L，或者, L，, L，,但：, L,腔的模體積大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。,（4）、平凹腔：,當(dāng) L R/2 時(shí)為半共焦腔， 一般也常用于中小功率激光器。,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,2、激光器中常用光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)形式,（5）、實(shí)共心腔： R R 1 對(duì)稱共心腔：,1,2,（6）、虛共焦腔： R /2 R /2 L，,1,2, L/2,非穩(wěn)腔的特點(diǎn): 具有較大的模體積 具有較好的選模能力 能實(shí)現(xiàn)光束的側(cè)向耦合輸出,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,3、諧振腔的縱模及駐波條件,（1)、 模式表示方法及模式特征參數(shù) TEMmnqTransverse Electromagnetic wave m, n 橫模指數(shù) ； q 縱模指數(shù) 模式主要特征： * 場(chǎng)分布，諧振頻率，往返損耗，發(fā)散角,沿光軸方向（縱向）場(chǎng)分布 E(z) 縱模,場(chǎng)分布,垂直于光軸方向(橫向)場(chǎng)分布E(x,y)橫模,（2）、 縱模 （干涉儀理論） 具有相同的縱向場(chǎng)分布的模式,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,L,駐波場(chǎng)分布,縱模間隔,不同的縱模對(duì)應(yīng)腔內(nèi)不同的駐波場(chǎng)分布 縱模序數(shù)q 對(duì)應(yīng)駐波場(chǎng)波節(jié)個(gè)數(shù)，q 很大，不計(jì),L,（3）、駐波條件（相長(zhǎng)干涉條件）,模譜,n,n,第二部分 激光產(chǎn)生的 基本原理,激光的基本原理及特性,4、橫模及橫模的形成,橫模相同的橫向場(chǎng)分布的模式（不同光斑花樣）,（2）旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 TEMmn m暗直徑數(shù)；n暗環(huán)數(shù)(半徑方向),（1）x, y 軸對(duì)稱 TEMmn mX向暗區(qū)數(shù) nY向暗區(qū)數(shù),基(橫)模 TEM00 光斑軸對(duì)稱或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布取決于增益介質(zhì)的幾何形狀 增益介