激光原理及应用课件.ppt

《激光原理及应用课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章激光器的工作原理激光原理及应用激光原理及应用产生激光的三个条件增益介质：提供放大作用的增益物质，其激活粒子有产生受激辐射的能级结构外界激励源：用外界能源将介质造成粒子数密度反转分布的状态光学谐振腔：增长激光介质的长度，控制光束的传播方向，选择受激辐射的光频率第二章激光器的工作原理§2.1.光学谐振腔结构与稳定性2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件1.规定曲率半径为R，焦距为f，物距s和象距s´,在反射镜前面为正，在反射镜后面的为负，则有：1)对于凹透镜，R>0，f=R/2>02)对于凸透镜，R<0，f=R/2<03)对于平面镜，2.成像公式为:

2、3.如图(2-1)所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球面反射镜的曲率半径R1、R2，和腔长,即与光轴相交的反射镜面上的两个点之间的距离L。可以证明共轴球面腔的稳定性条件是:图(2-1)共轴球面腔结构示意图第二章激光器的工作原理§2.1.光学谐振腔结构与稳定性2.1.2共轴球面谐振腔的稳定图及其分类1.常常使用稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件，定义：共轴球面谐振腔的稳定性条件可改写为:如图(2-2)所示，图中没有斜线的部分是谐振腔的稳定工作区，其中包括坐标原点。图中画有斜线的阴影区为不稳定区，在稳定区和非稳区的边界线上是临界区。对工作在临

3、界区的腔，只有某些特定的光线才能在腔内往返而不逸出腔外。当时，共轴球面谐振腔为稳定腔当时，共轴球面谐振腔为非稳腔当时，共轴球面谐振腔为临界腔图(2-2)共轴球面腔的稳定图第二章激光器的工作原理§2.1.光学谐振腔结构与稳定性2.1.2共轴球面谐振腔的稳定图及其分类2.利用稳定条件可将球面腔分类如下:双凹稳定腔:由两个凹面镜组成，对应图中l、2、3和4区平凹稳定腔:由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中AC、AD段凹凸稳定腔:由一个凹面镜和一个凸面镜组成，对应图中5区和6区共焦腔:R1/2+R2/2＝L，R1＝R2＝L，g1=0，g2=0，对应图中的坐

4、标原点半共焦腔:由一个平面镜和一个R=2L的凹面镜组成的腔，对应图中E和F点(1)稳定腔(2)临界腔平行平面腔:对应图中的A点。只有与腔轴平行的光线才能在腔内往返共心腔:满足条件R１＋R2＝L，对应图中第一象限的g1g2＝1的双曲线半共心腔:由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中C点和D点(3)非稳腔对应图中阴影部分的光学谐振腔都是非稳腔。图(2-2)共轴球面腔的稳定图第二章激光器的工作原理§2.1.光学谐振腔结构与稳定性2.1.3稳定图的应用1.制作一个腔长为L的对称稳定腔，反射镜曲率半径的取值范围如何确定？AB2.给定稳定腔的一块反射镜，要选配另

5、一块反射镜的曲率半径，其取值范围如何确定?确定g1=>>C，作图求g23.如果已有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长范围如何确定？建立半径比率R1/R2，求解g2=f(g1)的方程图(2-3)稳定图的应用图(2-2)共轴球面腔的稳定图第二章激光器的工作原理§2.2.速率方程组与粒子数反转2.2.1三能级系统和四能级系统实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程：三能级和四能级系统三能级系统：如图(2-4a)，下能级E1是基态能级，上能级E2是亚稳态能级，E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的

6、粒子数一直保存有相当的数量四能级系统：如图(2-4b)，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。图(2-4)三能级系统和四能级系统示意图第二章激光器的工作原理§2.2.速率方程组与粒子数反转2.2.2速率方程组1.图(2-5)为简化的四能级图，n0、n1、n2分别为基态、激光下能级、激光上能级的粒子数密度；n为单位体积内增益介质的总粒子数，R1、R2分别是激励能源将基态E0上的粒子抽运到E1、E2能级上的速率；则E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为：同理，单位

7、时间内E1能级上增加的粒子数密度为：以上三式即为在增益介质中同时存在抽运、吸收、自发辐射和受激辐射时各能级上的粒子数密度随时间变化的速率方程组。图(2-5)）简化的四能级图第二章激光器的工作原理§2.2.速率方程组与粒子数反转2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布1.在抽运和跃迁达到动态平衡时，各能级上粒子数密度并不随时间而改变，即：假设能级E2、E1的简并度相等，即g1=g2，因此有B12=B21，又认为E2能级向E1能级的自发跃迁几率远大于E2能级向基态E0的自发跃迁几率，即A2=A21,则有将上两式相加可得：第二章激光器的工作原理§2.2.速

8、率方程组与粒子数反转2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布2.由式可得：它是当分母中的第二项为零时的粒子