激光的基本原理及特性)

1、激光的基本原理及特性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（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、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)分布EE1E2n1n2n3EnKTEEenn1212玻爾茲曼分布E1E2n1n2n3112112221221nBnwnBnw單位時(shí)間內(nèi)STE增加的光子數(shù)密度單位時(shí)間內(nèi)STA減少的光子數(shù)密度激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性反轉(zhuǎn)分布 受激輻射 占主導(dǎo) 光放大 有增益正常分布 受激吸收 占主導(dǎo) 光衰減，吸收 11221122nffnnffnN2 N1增益介質(zhì)：增益介質(zhì)：處于粒子數(shù)

2、反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到上能級(jí)的粒子數(shù)密度越多越好，為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到上能級(jí)的粒子數(shù)密度越多越好，下能級(jí)的粒子數(shù)越少越好，上能級(jí)粒子數(shù)的壽命長(zhǎng)些好。下能級(jí)的粒子數(shù)越少越好，上能級(jí)粒子數(shù)的壽命長(zhǎng)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激光的基本原理及特性2、激光器的基本結(jié)構(gòu)、激光器的基本結(jié)構(gòu)2121Awn 121nwSTE光子集中在幾個(gè)模式 開(kāi)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(jiǎn)并度。 工作物質(zhì), 光學(xué)諧振腔, 激勵(lì)能源是一般激光器的三個(gè)基本部分。軸向模非軸向模技

3、術(shù)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(guò)程、激光產(chǎn)生的基本條件及激光形成過(guò)程基本條件：基本條件：1、實(shí)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(guò)程：激光形成過(guò)程：泵浦（抽運(yùn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激放大振蕩放大達(dá)到閾值激光輸出閾值：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(shì)（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(lì)）才能打破熱平衡， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵(lì)（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(xué)

4、、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激光的基本原理及特性（二）、光學(xué)諧振腔及激光的模式（二）、光學(xué)諧振腔及激光的模式1、光腔的構(gòu)成及穩(wěn)定條件、光腔的構(gòu)成及穩(wěn)定條件 光學(xué)諧振腔的作用：光學(xué)諧振腔的作用：提供反饋和模式選擇另：折疊腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔 復(fù)合腔腔內(nèi)加入其它光學(xué)元件，如透鏡，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具等 (a) (a) 閉腔閉腔 (b) (b) 開(kāi)腔開(kāi)腔 (c) (c) 氣體波導(dǎo)腔氣體波導(dǎo)腔 腔的構(gòu)成與分類腔的構(gòu)成與分類h1h2h3半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器介質(zhì)波導(dǎo)腔介質(zhì)波導(dǎo)腔h2 0; 凸面鏡 R L， L，或者R 1 L， R 2 L腔的模體積大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。（4）

5、、平凹腔：）、平凹腔：當(dāng) L R/2 時(shí)為半共焦腔，一般也常用于中小功率激光器。第二部分激光產(chǎn)生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性2、激光器中常用光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)形式、激光器中常用光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)形式（5 5）、實(shí)共心腔：）、實(shí)共心腔： R R 1 對(duì)稱共心腔： 12（6 6）、虛共焦腔：）、虛共焦腔： R /2 R /2 L， 12R 1R 2 L/2非穩(wěn)腔的特點(diǎn): 具有較大的模體積 具有較好的選模能力 能實(shí)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激光的基本原理及特性3、諧振腔的縱模及駐波條件、諧振腔的縱模及駐波條件（1)1)、 模式表示方法及模式特

6、征參數(shù)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(chǎng)分布，諧振頻率，往返損耗，發(fā)散角 沿光軸方向（縱向）場(chǎng)分布 E(z) 縱模縱模場(chǎng)分布場(chǎng)分布垂直于光軸方向(橫向)場(chǎng)分布E(x,y)橫模橫模（2 2）、）、 縱?？v模 （干涉儀理論） 具有相同的縱向場(chǎng)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激光的基本原理及特性L 駐波場(chǎng)分布tkzEEsinsin20 縱模間隔 LcLcqLcqq2221Lcq2 不同的縱模對(duì)應(yīng)腔內(nèi)不同的駐波場(chǎng)分布 縱模序數(shù)q 對(duì)應(yīng)駐波場(chǎng)波節(jié)個(gè)數(shù)，

7、q 很大，不計(jì)L （3）、）、駐波條件駐波條件（相長(zhǎng)干涉條件相長(zhǎng)干涉條件）22qqLqLLLcqqh;2模譜第二部分激光產(chǎn)生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性4、橫模及橫模的形成、橫模及橫模的形成橫模橫模相同的橫向場(chǎng)分布的模式（不同光斑花樣）（2）旋轉(zhuǎn)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 TEMmn m暗直徑數(shù)；n暗環(huán)數(shù)(半徑方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x, y 軸對(duì)稱軸對(duì)稱 TEMmn mX向暗區(qū)數(shù) nY向暗區(qū)數(shù)TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31 基基( (橫橫) )模模 TEM00 光斑軸對(duì)稱或旋轉(zhuǎn)對(duì)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