第二部分-(III)-激光产生的基本原理

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光电子的知识

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

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

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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激光的基本原理及特性

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

驻波场分布

2 c νq = q ; L′ = ηL 2L′

L′ = q

λq