第二部分-(III)-激光产生的基本原理

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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 )、激光的形成及产生的基本条件 1、粒子数反转分布 、E E

玻尔兹曼分布 反转分布E2 E1 n3 n2 n1

n

n2 =e n1

(E E ) 2 1KT

E2 E1 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

w 21n 2 = B21ρ ν n 2 w 12 n1 = B12 ρ ν n1

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第二部分 激光产生的 基本原理

激光的基本原理及特性f2 n2 < n1 f1 f2 n2 > n1 f1

正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益N2 < N1 N2 > N1

增益介质： 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， 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。 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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激光的基本原理及特性 2、激光器的基本结构 、n= w 21 A21

第二部分 激光产生的 基本原理

ρ ν ↑→ w 21 ↑→ n >> 1

STE光子集中在几个模式

非轴向模 轴向模

技术思想的重大突破 - F-P 光谐振腔 开放式光谐振腔使特定(轴向)模式的ρν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。

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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 、1、实现粒子数反转(粒子数反常分布) 基本条件： 基本条件： 2、满足阈值条件(增益大于或等于损耗) 阈值： 阈值：产生激光所要需的最低能量 激光形成过程： 激光形成过程： 泵浦(抽运) 放大 粒子数反转 达到阈值 受激放大 激光输出 振荡

第二部分 激光产生的 基本原理

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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激光的基本原理及特性 (二)、光学谐振腔及激光的模式 )、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： 光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择腔的构成与分类 η η2 1 η3

第二部分 激光产生的 基本原理

η2 < η1, η3

半导体激光器 介质波导腔

(a) 闭腔

(b) 开腔

(c) 气体波导腔

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

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激光的基本原理及

特性 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

第二部分 激光产生的 基本原理

凹面镜 R > 0; 凸面镜 R < 0; 平面镜 R=∞ 稳定条件 几何偏折损耗 稳定条件: 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) 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 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g1 = 1 L

第二部分 激光产生的 基本原理

稳定判据 表达式

0 < g1g2 < 1 g1 = g2 = 0

R1 R2

稳定腔

其中 g2

g2 = 1 L

只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔) 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔)

1 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 小功率激光器； 小功率激光器； 非稳腔可用于大功率激光器中， 非稳腔可用于大功率激光器中， 其优点是模体积大， 其优点是模体积大，还可限制 模式

g1g2 = 1 0 -1 1 g1

-1 g1g2 = 1

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激光的基本原理及特性2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式 、(1)、平行平面镜腔： )、平行平面镜腔： 平行平面镜腔 R 1 = R 2 = ∞ 腔的模体积大，衍射损耗比较 大，常用在固体激光器中。 (2)、共焦腔： )、共焦腔： 共焦腔 R 1= R 2 = L,腔的模体积最小，几何损耗小。 )、双凹腔 (3)、双凹腔： )、双凹腔： R 1 > L, R 2 > L,或者 R 1 < L, R 2 < L, R 但： 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。 )、平凹腔 (4)、平凹腔： )、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。 L

第二部分 激光产生的 基本原理

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激光的基本原理及特性2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式 、(5)、实共心腔： )、实共心腔： 实共心腔 R1+ R2 = 1 对称共心腔：R 1 = R 2 = L/2 (6)、虚共焦腔： )、虚共焦腔： 虚共焦腔 R 1/2 + R 2/2= L,

第二部分 激光产生的 基本原理

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 1)、 TEMmnq-Transverse Electromagnetic wave m, n - 横模指数 ； q -纵模指数 模式主要特征： * 场分布，谐振频率，往返损耗，发散角 沿光轴方向(纵向)场分布 E(z) - 纵模 场分布 垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)-横模 横模

第二部分 激光产生的 基本原理

(2)、 纵模 (干涉仪理论) - 具有相同的纵向场

分布的模式

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第二部分 激光产生的 基本原理

)、驻波条件 (3)、驻波条件(相长干涉条件) )、驻波条件(相长干涉条件)

模谱 ν

ν

驻波场分布

2 c νq = q ; L′ = ηL 2L′

L′ = q

λq

φ = q 2π

L 不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布

E = 2E0 sin kz sin ωt

L

纵模序数q 对应驻波场波节个数，q 很大，不计 纵模间隔

νq = (q + 1)

c c c q = 2L′ 2L′ 2L′

ν q =

c 2L′

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激光的基本原理及特性4、横模及横模的形成 、横模-相同的横向场分布的模式(不同光斑花样) 横模 (1)x, y 轴对称 TEMmn m-X向暗区数 n-Y向暗区数

第二部分 激光产生的 基本原理

TEM00

TEM10

TEM20

TEM03

TEM11

TEM31

(2)旋转对称 TEMmn m-暗直径数；n-暗环数(半径方向) 旋转对称

TEM00

TEM01

TEM02

TEM10

TEM20

TEM30

基(横)模 TEM00 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件(布氏窗、 反射镜等)会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。

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第二部分 激光产生的 基本原理

横模产生的原因

开腔模式形成的定性解释