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1、,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。,第
2、二部分 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,第二部分 激光产生的 基本原理,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,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
3、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,第二部分 激光产生的 基本原理,激光的基本原理及特性,（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，FP标准具等,(a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔,腔的构成与分类,半导体激光器 介质波导腔,2 1, 3,第二部分 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
4、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,第二部分 激光产生的 基本原理,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
5、,0,1,-1,1,-1,g1g2 = 1,g1g2 = 1,第二部分 激光产生的 基本原理,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,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：, L，, L，或者, L，, L，,但：, 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。,第二部分 激光产生的 基本原理,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
6、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, 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,第二部分 激光产生的 基本原理,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 TEMmnqTransverse 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,（2）、
7、纵模 （干涉仪理论） 具有相同的纵向场分布的模式,第二部分 激光产生的 基本原理,激光的基本原理及特性,L,驻波场分布,纵模间隔,不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布 纵模序数q 对应驻波场波节个数，q 很大，不计,L,（3）、驻波条件（相长干涉条件）,模谱,n,n,第二部分 激光产生的 基本原理,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）,（2）旋转对称 TEMmn m暗直径数；n暗环数(半径方向),（1）x, y 轴对称 TEMmn mX向暗区数 nY向暗区数,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。,第二部分 激光产生的 基本原理,激光的基本原理及特性,开腔模式形成的定性解释,横模产生的原因,第二部分 激光产生的 基本原理,