激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性第二部分激光产生的根本原理三、激光产生的根本原理三、激光产生的根本原理一、激光的构成及产生的根本条件一、激光的构成及产生的根本条件1、粒子数反转分布、粒子数反转分布反转分布EE1E2n1 n2n3En玻尔兹曼分布E1E2n1n2n3单位时间内STE添加的光子数密度单位时间内STA减少的光子数密度激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 N2 N1增益介质：处于粒子数反转分布形状的物质增益介质：处于粒子数反转分布形状的物质为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性2、激光器的根本构造、激光器的根本构造STE光子集中在几个方式 开放式光谐振腔使特定轴向方式的添加, 其它非轴向方式数 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 任务物质, 光学谐振腔, 鼓励能源是普通激光器的三个根本部分。轴向模非轴向模技术思想的艰苦突破 F-P 光谐振腔第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性3、激光产生的根本条件及激光构成过程、激光产生的根本条件及激光构成过程根本条件：根本条件：1、实现粒子数反转粒子数反常分布2、满足阈值条件增益大于或等于损耗激光构成过程：激光构成过程：泵浦抽运粒子数反转受激放大振荡放大到达阈值激光输出阈值：产生激光所要需的最低能量阈值：产生激光所要需的最低能量 粒子数反转分布是STE占优势产生激光的前提条件 依托外界向物质提供能量泵浦或称鼓励才干突破热平衡， 实现粒子数反转 鼓励泵浦能源是激光器根本组成部分之一 光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核 第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性二、光学谐振腔及激光的方式二、光学谐振腔及激光的方式1、光腔的构成及稳定条件、光腔的构成及稳定条件 光学谐振腔的作用：提供反响和方式选择光学谐振腔的作用：提供反响和方式选择另：折叠腔、环形腔、复合腔 复合腔腔内参与其它光学元件，如透镜，FP规范具等 (a) (a) 闭腔闭腔 (b) (b) 开腔开腔 (c) (c) 气体波导腔气体波导腔 腔的构成与分类腔的构成与分类123半导体激光器半导体激光器介质波导腔介质波导腔2 0; 凸面镜 R L， L，或者R 1 L， R 2 L腔的模体积大于共焦腔，普通用于中小功率激光器。4、平凹腔：、平凹腔：当 L R/2 时为半共焦腔，普通也常用于中小功率激光器。第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性2、激光器中常用光学谐振腔的构造方式、激光器中常用光学谐振腔的构造方式5 5、实共心腔：、实共心腔： R R R R 1 1 对称共心腔：对称共心腔： 126 6、虚共焦腔：、虚共焦腔： R /2 R /2 R /2 R /2 L L， 12R 1R 2 L/2非稳腔的特点: 具有较大的模体积 具有较好的选模才干 能实现光束的侧向耦合输出第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性3、谐振腔的纵模及驻波条件、谐振腔的纵模及驻波条件1)1)、 方式表示方法及方式特征参数方式表示方法及方式特征参数 TEMmnq TEMmnqTransverse Electromagnetic waveTransverse Electromagnetic wave m, n m, n 横模指数横模指数 ； q q 纵模指数纵模指数 方式主要特征：方式主要特征： * * 场分布，谐振频率，往返损耗，发散角场分布，谐振频率，往返损耗，发散角 沿光轴方向纵向场分布 E(z) 纵模场分布场分布垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)横模2 2、 纵模纵模 干涉仪实际干涉仪实际 具有一样的纵向场分布的方式具有一样的纵向场分布的方式第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性L 驻波场分布 纵模间隔 不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布 纵模序数q 对应驻波场波节个数，q 很大，不计L 3、驻波条件相长干涉条件、驻波条件相长干涉条件模谱nn第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性4、横模及横模的构成、横模及横模的构成横模一样的横向场分布的方式不同光斑花样横模一样的横向场分布的方式不同光斑花样2旋转对称 TEMmn m暗直径数；n暗环数(半径方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM301x, y 轴对称 TEMmn mX向暗区数 nY向暗区数TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31 基(横)模 TEM00 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何外形 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件布氏窗、 反射镜等会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。第二部分激光产生的根本原理激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性开腔方式构成的定性解释开腔方式构成的定性解释 横模产生的缘由第二部分激光产生的根本原理