二部分III激光產(chǎn)生基本原理課件

1、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EE1E2n1n2n3En玻爾茲曼分布E1E2n1n2n3單位時間內(nèi)STE增加的光子數(shù)密度單位時間內(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 光放大 有增益正常分布 受激吸收 占主導 光衰減，吸收 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)為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求在單位時間內(nèi)激發(fā)到上能級的粒子數(shù)密度越多越好，下能級的粒子數(shù)越少越好，上能級粒子數(shù)的壽命長些好。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

2、集中在幾個模式 開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并度。 工作物質(zhì), 光學諧振腔, 激勵能源是一般激光器的三個基本部分。軸向模非軸向模技術思想的重大突破 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程基本條件：1、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（粒子數(shù)反常分布）2、滿足閾值條件（增益大于或等于損耗）激光形成過程：泵浦（抽運）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激放大振蕩放大達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（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）才能打破熱平

3、衡， 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵（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 、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 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) 幾何光學方法 兩種不同的腔的理論處理方法, 設計方法不同 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)往返無限多次不會 逸出腔外 幾何偏折損耗小 (低損耗腔) 利用幾何光學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

4、理激光的基本原理及特性穩(wěn)定判據(jù) 表 達 式穩(wěn)定腔 其中 只適用于簡單的共軸球面鏡腔(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)點是模體積大，還可限制 模式g1g201-11-1g1g2 = 1g1g2 = 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、激光器中常用光學諧振腔的結(jié)構(gòu)形式（5）、實共心腔： R R 1 對稱共心腔： 12（6）、虛共焦腔： R /2 R /2 L， 12R 1R 2 L/2非穩(wěn)腔的特點: 具有較大的模體積 具有較好的選模能力 能實現(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

5、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： * 場分布，諧振頻率，往返損耗，發(fā)散角 沿光軸方向（縱向）場分布 E(z) 縱模場分布垂直于光軸方向(橫向)場分布E(x,y)橫模（2）、 縱模 （干涉儀理論） 具有相同的縱向場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 駐波場分布 縱模間隔 不同的縱模對應腔內(nèi)不同的駐波場分布 縱模序數(shù)q 對應駐波場波節(jié)個數(shù)，q 很大，不計L （3）、駐波條件（相長干涉條件）模譜nn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分布的模式（不同光斑花樣）（2）旋轉(zhuǎn)對稱 TEMmn m暗直徑數(shù)；n暗環(huán)數(shù)(半徑方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x, y 軸對稱 TEMmn mX向暗區(qū)數(shù) nY向暗區(qū)數(shù)TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31 基(橫)模 TEM00 光斑軸對稱或旋轉(zhuǎn)對稱分布取決于增益介質(zhì)的幾何形狀 增益介質(zhì)的不均勻或腔內(nèi)插入其它