第二部分-(III)-激光产生的基本原理.ppt

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。
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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
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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
基本条件:
1、实现粒子数反转(粒子数反常分布)
2、满足阈值条件(增益大于或等于损耗)
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
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(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,F-P标准具等
(a) 闭腔(b) 开腔(c) 气体波导腔
腔的构成与分类
h1
h2
h3
半导体激光器
介质波导腔
2 < 1, 3
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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
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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
0
1
-1
1
-1
g1g2 = 1
g1g2 = 1
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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:
R
1
R
2
> L,
> L,或者
R
1
< L,
R
2
< L,
但:
R
1
R
2
+
> 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。
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2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式
(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
R
1
R
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
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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
TEMmnq-Transverse ic wave
m, n - 横模指数; q -纵模指数
模式主