激光形成的条件ppt课件.ppt

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1、1.5激光形成的条件要能形成激光，首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收；本节由光束进入介质后的变化规律出发研究介质中的受激辐射大于受激吸收的条件；从受激辐射大于受激吸收的条件出发再确定激光器的基本结构，即对应了激光产生的基本条件。1受激辐射与吸收时光强的变化一般情况下光束进入介质后的变化规律，当光线沿z轴方向传输，而且没有发散时，可以取介质中的一片来分析：通过光线在z处穿过厚度为为dz单位截面的一薄层，由I变到I+dI，来研究光线穿过整个介质的变化规律。I(0)I(z)I(z)+dIzz+dzz图1-20光穿过厚度为dz的介质的情况2

2、介质中光强与单色能量密度的关系受激辐射与吸收时粒子数密度变化和单色能量密度的关系，可以用来研究介质中单色能量密度的变化。为了得到光强的变化规律，需要进一步建立光强与单色能量密度的关系。考虑平行光通过面积为A，厚度为D的情况，光强为单位时间内单位面积上通过的总光能3介质中的受激辐射与吸收厚度为dz单位截面的一薄层，在dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度为光穿过dz介质后净增加的光子数密度为4光能密度微分方程又因为净增加的光子数密度可以表示为光穿过dz介质后光能密度的增加值为得出有关光能密度的微分

3、方程5光能密度与光强随路程z的变化规律解此微分方程得光能密度随路程z的变化规律代入光强与单色能量密度的关系，得到相应光强随路程z的变化规律为这是一个指数函数，根据指数的符号不同表现为两种不同的变化规律6热平衡状态光波按负指数规律衰减一般情况下介质处于热平衡状态，上下能级粒子数的分布关系为也就是说则光强变化可以表示为若令7热平衡状态介质的吸收系数按指数规律衰减的速率为衰减的相对速率为A代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减率的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小，将A称为吸收系数，（这就是在工程光学中讲过的“玻璃吸收系数”的原理）

4、8增益介质中的光呈指数放大粒子数密度反转分布此时受激辐射大于受激吸收产生光放大定义则有9增益系数与光放大的条件增益的相对速率为增益系数：G代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小，将G称为增益系数，激活介质的增益系数光放大的条件需要一个激励能源把低能级的介质粒子由低能级抽运到高能级上去需要合适增益系数的发光介质（或称激光工作物质）10增益系数G的测定增益系数是增益介质的性质增益系数是单位长度的光强相对增长率对于已知长度L的增益介质，如果测得入射光强I0、出射光强I以及增益介质的长度L，则可以算出增

5、益介质在长度L上的平均增益系数平均增益系数实验示意图II0L11光学谐振腔的提出要使受激辐射几率远大于自发辐射几率，即只有靠增大增益介质中传播的光能密度来实现。介质中传播的光能密度公式表明光能密度随穿过增益介质的路程z按指数规律增长，其他参数都是常数，z越大，光能密度也越大，也就是可以增加增益介质的长度L来增加光能密度。增加增益介质的长度L的方法：多次反射——光学谐振腔12光学谐振腔的作用光学谐振腔的结构：在增益介质的两端各加一块平面反射镜M1、M2。其中一块为全反射镜；另一块为部分反射镜（反射率接近于1）。两者严格平行并与增益

6、介质的轴线垂直，这就是一个简单的光学谐振腔——平行平面腔。放大的条件：光在腔内往返一次时放大的量大于损耗的量光学谐振腔的作用：延长增益介质作用长度，控制光束传播方向，（第三个作用“选频”以后会讲）M1M2图1-21受激光在谐振腔中的放大13激光器的基本结构激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收14第二章激光器的工作原理(1)2.1光学谐振腔结构与稳定性152.1光学谐振腔结构与稳定性光学谐振腔的三个作用

7、再重述如下：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。本节用几何光学方法研究光学谐振腔的稳定性。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。16稳定腔及其几何表示几种典型的稳定腔：平行平面腔----是一种临界稳定腔，能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。（临界腔）ABM1M2平行平面腔17稳定腔及其几何表示（续）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

8、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ABM