最新激光原理及应用Chapter2幻灯片.ppt

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1、激光原理及应用Chapter2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:3.如图(2-1)所示，共轴球面腔的结

2、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§2.2.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

3、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

4、(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数密度反转分布值。而分母中的第二项一定是个正值。因此，只有在谐振腔中传

5、播的单色光能量密度可能趋近于零时，粒子数密度反转分布值可能达到的最大值。换句话说，参数对应着谐振腔的单色光能量密度为零或者近似为零时的粒子数密度反转分布的大小。参数对应着激光谐振腔尚未发出激光时的状态，通常把这个状态叫作小信号工作状态，而参数就被称作是小信号工作时的粒子数密度反转分布。第二章激光器的工作原理§2.2.速率方程组与粒子数反转2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布1.对于均匀增宽的介质如果介质中传播的光波频率为，则有：如果介质中传播的光波频率，则第二章激光器的工作原理§2.2.速率方程组与粒子数反转2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布这就是均匀增宽型介质E

6、2、E1能级之间粒子数反转分布的表达式。它给出能级间粒子数反转分布值与腔内光强、光波的中心频率、介质的饱和光强、激励能源的抽运速率以及介质能级的寿命等参量的关系。第二章激光器的工作原理§2.2.速率方程组与粒子数反转2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应1.由下式可以看出，当腔内光强I0(即小信号)时，介质中的粒子数密度反转分布值n最大，其值为n0。当腔内光强I的影响不能忽略时，粒子数密度反转分布值n将随光强的增加而减小，此现象称为粒子数密度反转分布值的饱和效应。2.当腔内光强一定时，粒子数密度反转分布值n随腔内光波频率而变，图(2-6)给出了Iν一定时,

7、n随变化的曲线。3.I1