激光器的工作原理講解

1、激光器的工作原理講解激光器的工作原理講解第1頁(yè)二.光腔 開(kāi)放式共軸球面光學(xué)諧振腔組成1.組成:在激活介質(zhì)兩端設(shè)置兩面反射鏡(全反、個(gè)別反)。 激光器的工作原理講解第2頁(yè)2. 開(kāi)放式: 除二鏡外其余個(gè)別開(kāi)放 共軸: 二鏡共軸 球面腔: 二鏡都是球面反射鏡(球面鏡)三.光腔按幾何損耗(幾何反射逸出)分類:光腔 (光腔中存在著伴軸模,它可在腔內(nèi)屢次傳輸而不逸出腔外)(伴軸模在腔內(nèi)經(jīng)有限數(shù)往返必定由側(cè)面逸出腔外,有很高幾何光學(xué)損耗) (幾何光學(xué)損耗介乎上二者之間)激光器的工作原理講解第3頁(yè)2.1.1共軸球面諧振腔穩(wěn)定性條件 一.光腔穩(wěn)定條件: 1.描述光腔穩(wěn)定性g參量,定義: 其中 L - 腔長(zhǎng)(二反

2、射鏡之間距離) , L0 ; Ri - 第i面反射鏡曲率半徑(i = 1,2);符號(hào)規(guī)則: 凹面向著腔內(nèi)時(shí)(凹鏡) Ri0 , 凸面向著腔內(nèi)時(shí)(凸鏡) Ri0。 L對(duì)于平面鏡，成像公式為: s物距s象距f 透鏡焦距激光器的工作原理講解第4頁(yè) (2)據(jù)穩(wěn)定條件數(shù)學(xué)形式, 穩(wěn)定腔: 非穩(wěn)腔: 或 臨界腔: 或 g1 g2=0 2.光腔穩(wěn)定條件: (1)條件:使傍軸模(即近軸光線)在腔內(nèi)往返無(wú)限屢次不逸 出腔外條件, 即近軸光線幾何光學(xué)損耗為零, 其 數(shù)學(xué)表示式為激光器的工作原理講解第5頁(yè)2.1.2 共軸球面諧振腔穩(wěn)定圖及其分類 一。常見(jiàn)幾類光腔組成: *(以下介紹常見(jiàn)光腔并學(xué)習(xí)用作 圖方法來(lái)表示各

3、種諧振腔) 激光器的工作原理講解第6頁(yè)(一）穩(wěn)定腔: 1.雙凹穩(wěn)定腔: 由兩個(gè)凹面鏡組成共軸球面腔為雙凹腔。這種腔穩(wěn)定條件有兩種情況。其一為：且證實(shí)：R1L 即：0g11 ，同理 0g21 所以：0g1g21其二為： R1L R2L 且 R1+R2L證實(shí)：R1L 即 g10激光器的工作原理講解第7頁(yè)同理：g20 ，g1g20 ；又 LR1+R2即 g1g21 0 g1g21 假如 R1=R2 ，則此雙凹腔為對(duì)稱雙凹腔，上述兩種穩(wěn)定條件能夠合并成一個(gè)，即： R1=R2=RL/2 激光器的工作原理講解第8頁(yè)2.平凹穩(wěn)定腔: 由一個(gè)凹面發(fā)射鏡和一個(gè)平面發(fā)射鏡組成諧振腔稱為平凹腔。其穩(wěn)定條件為：RL證

4、實(shí)： R1L , ; R2, g2= 1激光器的工作原理講解第9頁(yè) 3.凹凸穩(wěn)定腔: 由一個(gè)凹面反射鏡和一個(gè)凸面反射鏡組成共軸球面腔為凹凸腔.它穩(wěn)定條件是: R10, R2L , 且 R1+R2L .或者:R2L ,能夠證實(shí): 0g1 g21. (方法同上)激光器的工作原理講解第10頁(yè)(二).非穩(wěn)腔 : g1 g21 或 g1 g201. 雙凹非穩(wěn)腔: 由兩個(gè)凹面鏡組成共軸球面腔為雙凹非穩(wěn)腔.這種腔穩(wěn)定條件有兩種情況.其一為: R1L此時(shí)所以 g1 g20 激光器的工作原理講解第11頁(yè)其二為: R1+R2L能夠證實(shí): g1 g21 (證實(shí)略)2.平凹非穩(wěn)腔穩(wěn)定條件: R1L , R2= 證實(shí)

5、: g2=1, g10 g1 g20 激光器的工作原理講解第12頁(yè)3.凹凸非穩(wěn)腔凹凸非穩(wěn)腔非穩(wěn)定條件也有兩種:其一是: R20, 0R1L能夠證實(shí): g1 g20 其二是: R20, R1+R2L能夠證實(shí): g1 g21 4.雙凸非穩(wěn)腔 由兩個(gè)凸面反射鏡組成共軸球面腔稱為雙凸非穩(wěn)腔. R10, R20 g1 g21激光器的工作原理講解第13頁(yè)5.平凸非穩(wěn)腔 由一個(gè)凸面反射鏡與平面反射鏡組成共軸球面腔稱為平凸腔。平凸腔都滿足g1 g21 。(三)臨界腔: g1 g2 = 0 , g1 g2= 1 臨界腔屬于一個(gè)極限情況,其穩(wěn)定性視不一樣腔而不一樣.在諧振理論研究和實(shí)際應(yīng)用中,臨界腔含有非常主要意

6、義. 共焦腔焦點(diǎn)在腔內(nèi)，它是雙凹腔共焦腔焦點(diǎn)在腔外，它是凹凸腔激光器的工作原理講解第14頁(yè)1.對(duì)稱共焦腔腔中心是兩鏡公共焦 點(diǎn)且： R1= R2= R = L=2F F二鏡焦距 g1 = g2 = 0 g1 g2 = 0能夠證實(shí)，在對(duì)稱共焦腔內(nèi)，任意傍軸光線可往返屢次而不橫向逸出，而且經(jīng)兩次往返后即可自行閉合。這稱為對(duì)稱共焦腔中簡(jiǎn)并光束。整個(gè)穩(wěn)定球面腔模式理論都能夠建立在共焦腔振蕩理論基礎(chǔ)上，所以，對(duì)稱共焦腔是最主要和最含有代表性一個(gè)穩(wěn)定腔。激光器的工作原理講解第15頁(yè)2.半共焦腔由共焦腔任一個(gè)凹面反射鏡與放在公共 焦點(diǎn)處平面鏡組成 R = 2L g1 = 1 , g2 = 1/2 故 g1

7、g2 =1/21 （穩(wěn)定腔）3.平行平面腔由兩個(gè)平面反射鏡組成共軸諧振腔 R1=R2=，g1=g2=1， g1 g2=1激光器的工作原理講解第16頁(yè)4.共心腔 兩個(gè)球面反射鏡曲率中心重合共軸球 面腔 實(shí)共心腔雙凹腔 g1 0 ，g2 0 虛共心腔凹凸腔 g1 0 ，g2 0 都有 R1+R2= L g1 g2 =1 （臨界腔） 光線即有簡(jiǎn)并，也有非簡(jiǎn)并激光器的工作原理講解第17頁(yè)二.穩(wěn)定圖: 穩(wěn)定條件圖示 1.作用:用圖直觀地表示穩(wěn)定條件,判斷穩(wěn)定情況 *(光腔) 2.分區(qū): 圖上橫軸坐標(biāo)應(yīng)為 ,縱軸坐標(biāo)應(yīng)為 穩(wěn)定區(qū): 由 (二直線) g1= 0、g2= 0 和 *(二支雙曲線) g1g2 =

8、 1 線所圍區(qū)域(不含邊界) *(圖上白色非陰影區(qū)) 臨界區(qū): 邊界限 非穩(wěn)區(qū): 其余部份 *(陰影區(qū))圖(2-2) 共軸球面腔穩(wěn)定圖 *一球面腔(R1 ,R2 , L)對(duì)應(yīng)(g1 ,g2)落在穩(wěn)定區(qū), 則為穩(wěn)定腔 *一球面腔(R1 ,R2 , L)對(duì)應(yīng)(g1 ,g2)落在臨界區(qū)(邊界限), 則為臨界腔 *一球面腔(R1 ,R2 , L)對(duì)應(yīng)(g1 ,g2)落在非穩(wěn)區(qū)(陰影區(qū)), 則為非穩(wěn)腔 激光器的工作原理講解第18頁(yè)3.利用穩(wěn)定條件可將球面腔分類以下: 雙凹穩(wěn)定腔，由兩個(gè)凹面鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中l(wèi)、2、3和4區(qū). (0g11 ，0g21 ; g10, g20)平凹穩(wěn)定腔，由一個(gè)平面鏡和一個(gè)凹面

9、鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中AC、AD段（0g11 ,g2=1; 0g21,g21,g11)共焦腔，R1R2L，因而，g1=0，g2=0，對(duì)應(yīng)圖中坐標(biāo)原點(diǎn)。 半共焦腔，由一個(gè)平面鏡和一個(gè)R=2L凹面鏡組成腔,對(duì)應(yīng)圖中E和F點(diǎn)g1=1，g2=1/2 (1) 穩(wěn)定腔 (0g1 g2 1)(2) 臨界腔 :g1 g2 = 0 , g1 g2= 1平行平面腔，對(duì)應(yīng)圖中A點(diǎn)。只有與腔軸平行光線才能在腔內(nèi)往返g1=1，g2=1共心腔， 滿足條件R1R2L，對(duì)應(yīng)圖中第一象限g1g21雙曲線。 半共心腔，由一個(gè)平面鏡和一個(gè)凹面鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中C點(diǎn)和D點(diǎn)。 g1=1，g2=0 (3) 非穩(wěn)腔 :g1 g21 或 g1 g2

10、0對(duì)應(yīng)圖中陰影個(gè)別光學(xué)諧振腔都是非穩(wěn)腔。 圖(2-2) 共軸球面腔穩(wěn)定圖激光器的工作原理講解第19頁(yè)1平行平面腔2半共焦腔3半共心腔4對(duì)稱共焦腔5對(duì)稱共心腔穩(wěn)區(qū)圖激光器的工作原理講解第20頁(yè)2.1.3 穩(wěn)定圖應(yīng)用 一.制作一個(gè)腔長(zhǎng)為L(zhǎng)對(duì)稱穩(wěn)定腔，反射鏡曲率半徑取值范圍怎樣確定？ 因?yàn)閷?duì)稱穩(wěn)定腔有: R1= R2= R即: g1 = g2 所以對(duì)稱穩(wěn)定腔區(qū)域在穩(wěn)定圖A、B連線上.圖(2-2) 共軸球面腔穩(wěn)定圖所以,反射鏡曲率半徑取值范圍:最大曲率半徑R1= R2 是平行平面腔;最小曲率半徑R1= R2 是共心腔A點(diǎn): g1 = g2 1 R1= R2B點(diǎn): g1 = g2 - 1 R1= R2激

11、光器的工作原理講解第21頁(yè) 二.給定穩(wěn)定腔一塊反射鏡，要選配另一塊反射鏡曲率半徑，其取值范圍怎樣確定? 圖(2-2) 共軸球面腔穩(wěn)定圖比如: R1 = 2L 則 g1 =0.5在穩(wěn)定圖上找到C點(diǎn),連接CD兩點(diǎn),線段CD就是另外一塊反射鏡曲率半徑取值范圍.激光器的工作原理講解第22頁(yè) 三.假如已經(jīng)有兩塊反射鏡，曲率半徑分別為R1、R2，欲用它們組成穩(wěn)定腔，腔長(zhǎng)范圍怎樣確定？ 圖(2-2) 共軸球面腔穩(wěn)定圖令k =R2/R1 例k =2 得直線方程在穩(wěn)定范圍內(nèi)做直線AE、DF，在AE段可得 0LR1同理：在DF段可得 2R1L3R1激光器的工作原理講解第23頁(yè) 例: 某穩(wěn)定腔兩面反射鏡曲率半徑分別R1=-1m 及 R2=1.5m 。(1)這是哪一類型諧振腔? (2)試確定腔長(zhǎng)L可能取值范圍, 并作出諧振腔簡(jiǎn)單示意圖。(3)請(qǐng)作穩(wěn)定圖并指出它在圖中可能位置范圍。解.(1)R10 (凸鏡)而R20 (凹鏡)且穩(wěn)定, 是凹凸穩(wěn)定腔。(2)穩(wěn)定腔應(yīng)滿足激光器的工作原理講解第24頁(yè)（A）先考慮(A)式左邊不等號(hào)即 時(shí)