激光器的工作原理.

(二).非稳腔 : g1 g2＞1 或 g1 g2＜0
1. 双凹非稳腔:
由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹非稳腔.这种腔的 稳定条件有两种情况.
R1 R2
激光器的工作原理
激光的基本原理及特性
激光产生的基本原理
（一）、激光的形成及产生的基本条件 1、粒子数反转分布
E E2 E
玻尔兹曼分布
反转分布
E1
n3 n2 n1
n
n2 e n1
E E 2 1
KT
E2
E1
n1 n2 n3
单位时间内STE增加的光子数密度 单位时间内STA减少的光子数密度
(一）稳定腔:
0 g1 g2 1
1.双凹稳定腔:
由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹腔。这种腔的 稳定条件有两种情况。
其一为：
证明：
R1 R2
R1 L 且 R2 L
L ＜ ＜1 ∴ 0 R1
L
∵ R1＞L
L 0 ＜1 ＜1 R1
即：0＜g1＜1 ，同理 0＜g2＜1
R1 R2
所以：0＜g1g2＜1 其二为： R1＜L R2＜L 且 R1+R2＞L
一.光腔的作用: 1.光学正反馈: 建立和维持自激振荡。 (提高简并度) 决定因素: 由两镜的反射率、几何形状及组合形式。
2. 控制光束特性: 包括纵模数目、横模、损耗、输出功
率等。
二.光腔 —— 开放式共轴球面光学谐振腔的构成
1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。
R2 共轴 R1 球面
第二部分 激光产生的 基本原理
2.激光器的基本结构
n
w 21 A21
w21 n 1 STE光子集中在几个模式
非轴向模
轴向模
技术思想的重大突破 － F-P 光谐振腔 • 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 • 工作物质, 光学谐振腔, 激励能源是一般激光器的三个基本部分。
w 21n2 B21 n2 w12n1 B12 n1
f2 n2 n1 f1 f2 n2 n1 f1
正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收
反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益
N2 < N1 N2 > N1
增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质
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， 下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。
3、激光产生的基本条件及激光形成过程
基本条件： 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） 阈值：产生激光所要需的最低能量 激光形成过程： 泵浦（抽运） 放大 粒子数反转 达到阈值 受激放大 激光输出 振荡
• 粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件 • 依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡， 实现粒子数反转 • 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一 光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核
R1
球面
共轴
R2
球面
共轴
球面 共轴 R1
R1
R2
2.
开放式: 除二镜外其余部分开放 共 轴: 二镜共轴
球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)
三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:
稳定腔 (光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外) 光腔 临界腔 (几何光学损耗介乎上二者之间) 非稳腔 (伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的
光学谐振腔及激光的模式
光腔的构成及稳定条件
光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择
腔的构成与分类
h1
h2 h3 半导体激光器 介质波导腔 h2 < h1, h3
(a) 闭腔
(b) 开腔
(c) 气体波导腔
另：折叠腔、环形腔、复合腔 复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等
光学谐振腔结构与稳定性
证明：∵R1＜L ∴
L 1 ＜ 0 即 g1＜0 R1
L
同理：g2＜0 ，∴g1g2＞0 ；又∵ L＜R1+R2
L2 R1 R2 ＜ L ∴ R1 R2 R1 R2
或
L L R1 R2 L2 （ 1 ）（ 1 ） 1 L ＜1 R1 R2 R1 R2 R1 R2
即
g1g2＜1
凸面向着腔内时(凸镜) Ri＜0。
对于平面镜， R , f 成像公式为:
1 1 1 s s f
s——物距 s´——象距 f ——透镜焦距
2.光腔的稳定条件: (1)条件:使傍轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸
出腔外的条件, 即近轴光线几何光学损耗为零, 其
数学表达式为
0＜ g1g2＜1
如果 R1=R2
，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳
定条件可以合并成一个，即： R1=R2=R＞L/2
2.平凹稳定腔: 由一个凹面反射镜和一个平面反射镜组成的谐振腔称为平
凹腔。其稳定条件为：R＞L
R
L
证明：∵ R1＞L , g1 1
L 0 ＜g 1 ＜1 1 ∴ R1
0 g1 g2 1
(2)据稳定条件的数学形式, 稳定腔:
0 g1 g2 1
非稳腔:
临界腔:
g1 g2 1
或
或
g1 g2 0
g1 g2=0
g1 g2 1
共轴球面谐振腔的稳定图及其分类
一。常见的几类光腔的构成: *(以下介绍常见光腔并学习用作 图方法来表示各种谐振腔)
L L ( R1 L)( R2 L) g1 g 2 (1 )(1 ) R1 R2 R1 R2
几何光学损耗)
共轴球面谐振腔的稳定性条件
一.光腔稳定条件:
球面
wenku.baidu.com
1.描述光腔稳定性的g参量,定义:
g1 1 L R1
共轴 R1
g2 1
L R2
L
R2
其中 L ---- 腔长(二反射镜之间的距离) , L＞0 ; Ri ---- 第i面的反射镜曲率半径(i = 1,2); 符号规则: 凹面向着腔内时(凹镜) Ri＞0 ,
L ; R2 R1
故有
∞ , g2 = 1
0＜g1 g 2＜1
3.凹凸稳定腔:
由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成的共轴球面
腔为凹凸腔.它的稳定条件是: R1＜0, R2＞L , 且 R1+R2＜L . 或者:R2＞L , R1 ＞R2 L
L
R1
R2
可以证明: 0＜g1 g2＜1. (方法同上)