激光原理 第2章 激光器的工作原理ppt课件.ppt

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1、第2章激光器的工作原理2.1光学谐振腔结构与稳定性2.2速率方程组与粒子数反转2.3均匀增宽型介质的增益系数和增益饱和2.4非均匀增宽型介质的增益饱和2.5激光器的损耗与阈值条件（前文已讲）22.1光学谐振腔结构与稳定性光学谐振腔的三个作用：倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度，控制光束传播方向，对激光进行选频。稳定腔定义：在腔中任意一束傍轴光线能够经过任意次往返传播不逸出腔外的谐振腔。不稳定腔定义：在腔中任意一束傍轴光线不能够经过任意次往返传播不逸出腔外的谐振腔。3（1）稳定腔的表达式光学谐振腔的稳定与否是由谐振腔的几何形状决定的共轴球面腔结构：两个反射镜的球心连线为光轴，整

2、个系统总是轴对称的谐振腔。(规定凹面镜的曲率半径为正，凸面镜的曲率半径为负。)稳定腔条件为：共轴球面腔结构令则：4平行平面腔----是一种临界稳定腔，只有与腔轴平行的光线才能在腔内往返而不逸出腔外。ABM1M2平行平面腔（2）几种典型的稳定腔5平凹腔：是由一块平面镜和一块曲率半径为R的凹面镜组成的光学谐振腔，按照两镜之间距离可分为几种：(a)半共焦腔：凹面镜的焦点正好落在平面镜上，(b)半共心腔：凹面镜的球心正好落在平面镜上，距离再远，平凹腔会变得不稳定。（临界腔）ABM1M2(a)半共焦腔F(b)半共心腔ABM1M2O6对称凹面镜腔：两块曲率半径相同的凹面镜组成的谐振腔，按照两

3、镜之间距离可分为几种：(a)共焦腔：两凹面镜的焦点重合，(b)共心腔：两凹面镜的球心重合，距离再远，对称凹面镜腔也会变得不稳定。（临界腔）B(a)共焦腔AM1M2F(b)共心腔BOAM1M27（3）不稳定腔及其几何光学分析距离大于两倍焦距的不稳定平凹腔：A1—A2—B1—B2—C1—逸出（分析计算省略）h0不稳定腔A1O1h0B1C1h1A2B'0FO2B2h2M1M2B0Lfh3非稳定腔条件：8对称凸面镜腔---都是不稳定的不稳定凸面腔9(4)稳定图及其说明以g1为横坐标，g2为纵坐标，表现为双曲线，它们是稳定腔和非稳定腔的分界线。把稳定腔大致分为四类，在图上可以用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、

4、Ⅳ标出。ⅡⅠⅠⅡⅢⅢⅣⅣAB11图（2.2.5）稳定腔图O对称腔（共焦腔、共心腔）线段BOA代表对称腔，其特点是：R1=R2=R原点O、A、B分别代表什么？10ⅡⅠⅠⅡⅢⅢⅣⅣAB11图（2.2.5）稳定腔图O长焦距非对称腔（双凹稳定腔）短焦距非对称腔（双凹稳定腔）第Ⅲ部分，代表曲率半径小于腔长的非对称腔。其特点：R1≠R2；0＜R1＜L，0＜R2＜L，且R1+R2＞L第II区代表曲率半径大于腔长的非对称腔。其特点：R1≠R2；R1＞L，R2＞L，即，即，11凹凸腔第Ⅳ部分代表凹凸腔，它是由一块R＜0的凸面镜和一块R＞L的凹面镜构成，其特点：｜R1｜＞R2－L；其中R1＜0，R2

5、＞L。即，或，ⅡⅠⅠⅡⅢⅢⅣⅣAB11图（2.2.5）稳定腔图O12（5）稳定图的使用例一：一个腔长为L的对称稳定腔，其反射镜曲率半径如何确定？例二：稳定腔的一块反射镜已有如R1=2L，另一块反射镜的曲率半径的取值范围如何确定？例三：如果两块反射镜的曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长的取值范围如何确定？图(2-3)稳定图的应用13（6）腔的分类突出焦距与腔长的关系时，将稳定的光学谐振腔分为：对称共焦腔：半共焦腔：非共焦腔：除去图中原点和点（1，0.5）外的整个稳定区突出两块反射镜的形象时，将光学谐振腔分为：平行平面腔：平凹腔：平凸腔：凹凸腔：双凹腔：双凸腔：14（

6、7）腔的用途一般中小功率的气体激光器常用稳定腔，它的优点是容易产生激光；但对于增益系数大的固体激光器常用非稳定腔产生激光，它的优点是可以连续改变输出光的功率非稳定腔不宜用于中小功率的激光器，但有时光的准直性均匀性较好，能够连续地改变输出光功率对称共焦腔是建立模式理论的基础，是一种最重要的稳定腔15光频电磁场与激光工作物质的相互作用是形成激光的物理基础经典理论：将构成物质的原子系统和电磁场均做经典处理。光场服从麦克斯韦运动规律，原子服从经典力学运动规律的电偶极振子，该理论成功地解释了物质对光的吸收和色散作用，定性地说明了物质的自发辐射及其谱线宽，对解释光和物质相互作用中的某些物理现

7、象有一定帮助。引言：光场与物质间的相互作用162.半经典理论：用麦克斯韦方程组描述光频电磁场，应用量子力学理论描述物质原子。１９６４年，兰姆应用该理论建立了激光器理论，很好地揭示激光器中大部分的物理现象，如：强度特性、增益饱和效应、多模耦合与竞争效应，激光振荡的频率牵引与推斥效应等。其缺点是在于不能反映与激光场的量子特性有关现象的规律性,数学处理过于复杂。３.量子理论：应用量子电动力学的处理方法，对物质原子系统和光频电磁场都作量子化处理，将两者作为统一的物理体系加以研究。需严格地