说明在增益介质内
5介质中的光增益-1
R2
入射光
n1W12
n2/2 R1
E2 n2W21 E1 E0
n1/1
n2W21 n2 B21g(v ) 受激吸收粒子数密度： n1W12 n1B12 g(v ) n2的增加速率= R2 n1W12 R2 n1B12 g(v )
1
热平衡时n1，n2不变，两能级粒子应满足下条件: n2 n2 B21 g(v ) R2 n1B12 g(v ) 2
R1
2
n2
n2 B21 g(v )
1
n1
n1 B12 g(v )
R2 n1B12 g(v )
R1
2
n2
2
n2
n2 B21 g(v )
E2, n02, 2 R2 n02/2 E1,n01 , 1 R1 n01/1 E0
n
要使
0
0 n2
0 n1
R2 2 ( R2 R1 ) 1
必须满足：2>>1, 而 R2>R1
0 0 得到： n0 n2 n1 0 0 0 当 粒子数出现反转 n2 n1
3、四能级系统：
物质的原子，分子有 四个能级，Eo是基态能 级，E1，E2，E3是激发 态能级。
E3 E2(亚稳态) E1
3、四 能级 系统
E0
1 3 A31 A32
3
例
<二> 粒子数密度之差 由波尔兹曼分布律。
N i gi e Ei / kT
热平衡状态下处于两能级E2和E1 上的粒子数之比: 如果g1=g2 ， 则
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光是一种高度聚焦、高能量密度、单色性好的光束，其产生的基本原理是通
过受激辐射过程。
激光的产生需要三个基本条件，增益介质、能量泵、共振腔。
在这三个条件的作用下，激光才能被成功产生。
首先，增益介质是激光产生的基础。
增益介质是指能够吸收外界能量并在受激
辐射作用下放出光子的物质。
常见的增益介质包括气体、固体、液体等。
当增益介质受到外界能量的激发时，其内部的原子或分子将处于激发态，这种激发态是不稳定的，会很快退激发到基态，放出光子。
这些光子会与周围的原子或分子发生受激辐射，从而形成光子的连锁反应，最终形成激光。
其次，能量泵是激光产生的关键。
能量泵是指能够向增益介质输入能量的装置，通常是激光器或者其他光源。
能量泵向增益介质输入能量，使得增益介质内部的原子或分子处于激发态，从而为激光的产生提供必要的能量。
最后，共振腔是激光产生的重要环节。
共振腔是指由两个高反射镜构成的腔体，其中一个镜子对光具有很高的反射率，另一个镜子对光具有一定的透射率。
共振腔的作用是使得增益介质中的光子在腔内来回多次反射，从而增强光的强度和单色性。
当光子在共振腔内得到足够的增强后，就可以从透射镜射出，形成激光。
综上所述，激光的产生基本原理是通过增益介质吸收外界能量并受激辐射放出
光子，需要能量泵向增益介质输入能量，并通过共振腔增强光的强度和单色性。
这三个条件共同作用下，才能成功产生激光。
激光因其高能量密度、单色性好等特点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
对激光产生的基本原理有深入的了解，有助于更好地应用和发展激光技术。
激光原理第四章习题解答
《激光原理》习题解答作者：周炳琨等 国防工业出版社 第五版解答人：广东海洋大学理学院光电科学系 石友彬（2008年修正版）习题解答说明：习题解答参考蓝信鉅的激光技术、陈家璧版激光原理及应用等，在此对上述作者表示敬意！ 本章习题是在我系前外聘教授郭振华习题解答基础上汇总而成，在此表示衷心感谢。
1 静止氖原子的4223P S →谱线中心波长为632.8纳米，设氖原子分别以0.1C 、O.4C 、O.8C 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？ 解答：根据公式（激光原理P136）ccυυνν-+=110υλν=由以上两个式子联立可得：0λυυλ⨯+-=C C代入不同速度，分别得到表观中心波长为：nm C 4.5721.0=λ，nm C 26.4144.0=λ，nm C 9.2109.0=λ解答完毕（验证过）2 设有一台麦克尔逊干涉仪，其光源波长为λ，试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L 时，接收屏上的干涉光强周期性的变化L 2次。
证明：对于迈氏干涉仪的两个臂对应两个光路，其中一个光路上的镜是不变的，因此在这个光路中不存在多普勒效应，另一个光路的镜是以速度υ移动，存在多普勒效应。
在经过两个光路返回到半透镜后，这两路光分别保持本来频率和多普勒效应后的频率被观察者观察到（从半透境到观察者两个频率都不变），观察者感受的是光强的变化，光强和振幅有关。
以上是分析内容，具体解答如下：无多普勒效应的光场：()t E E ⋅=πνν2cos 0 产生多普勒效应光场：()t E E ⋅=''02cos ''πνν在产生多普勒效应的光路中，光从半透经到动镜产生一次多普勒效应，从动镜回到半透镜又产生一次多普勒效应（是在第一次多普勒效应的基础上） 第一次多普勒效应：⎪⎭⎫⎝⎛+=c υνν1'第二次多普勒效应：⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c c c υνυνυνν21112'''在观察者处：()⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⋅==⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛++⋅=+=t c t c t E t c t E E E E πνυπνυπνυπνπν2cos 22cos 2212cos 2cos 0021观察者感受到的光强：⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+=t c I I υνπ22cos 120 显然，光强是以频率cυν⋅2为频率周期变化的。
DFB简介
尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽 美。例如，为了制作光栅， DFB激光器需 要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光 栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃 掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全， 导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激 光器的内量子效率降低。此外， DFB激光 器的震荡频率偏离Bragg频率，故其阈值增 益较高。
目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓 (GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。 DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度）， 它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑 制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。
DFB-LD芯片制造
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
一次外延生长 光栅制作 二次外延生长 脊波导制作 欧姆接触、减薄 解理成条 端面镀膜 解理成管芯 TO-CAN
光栅制作
1.全息曝光 2.干法或湿法 刻蚀
二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
激光器的纵模
F-P腔激光器： 多纵模工作，也就是说该激光器只能用于 短距离传输。
边模抑制比 Side Mode Suppression Ratio
在最坏反射条件时、全调制条件下，激光器光谱中主纵模光 功率峰值强度（Pm0）与最大边模光功率峰值强度(P m1)之比的 对数，即： SMSR =10 lg (Pm0/P m1) SMSR示意图
DFB激光器的发展
DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽， 在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调 范围，比如பைடு நூலகம்到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽。
光电子学课后习题chapter2&3
（3-1-5） lc = c ∆ν
故：光源频率宽度越窄，相干时间越长，相干长度 也越长。
Ac ≈
λ 2 R2
∆As
（3-1-12）
相干面积：面积为AS的光源辐射出波长为λ的光波， 通过与光源相距为R且垂直于光的传播方向上的平 面两点，如果这两点位于Ac内，这两点的光场相 关，可产生干涉效应。
λ 2 R2 c i Vc = Ac lc = ∆As ∆ν
（3-1-13）
相干体积：在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的 光波，在其传播方向上可产生干涉效应的范围。
3.谐振腔里两个反射镜的曲率半径份别为40cm,80cm, 求实现稳定腔工作时，腔长的取值范围。 解: R1=40cm>0,R2=80cm>0
2.一光束入射到长为10CM，增益系数为0.5CM-1的工作 物质中，求出射光强对入射光强的比值。 解： 利用增益系数的公式
1 I ( x) G = ln x I0
( 2 − 2 − 3)
Gx
⇒ I ( x) = I 0 e
I ( x = 10) Gx 0.5×10 5 =e =e = e ≈ 148 I0
⎛ L ⎞⎛ L⎞ ∵ 0 < g1 g 2 = ⎜1 − ⎟⎜ 1 − ⎟ < 1 ⎝ R1 ⎠⎝ R2 ⎠
( R1 − L)( R2 − L) <1 R1 R2 ∵ R1 R2 > 0 ∴ ( R1 − L)( R2 − L) < R1 R2
⇒ L2 -（R1 +R2） 0 L < L ⋅ [ L-(R1 +R2 )] < 0 ∵L > 0 ∴ L < R1 +R2
− LG
介质中的光增益讲解课件
光增益的大小与介质的能级结构、光 波的能量以及介质中的粒子数密度等 因素有关。
当这些光子与其他未受激发的原子或 分子相互作用时，会激发更多的受激 辐射，从而产生更多的光子，形成光 的放大效应。
02
光增益的原理
增益介质的工作原理
增益介质通过吸收光能，将其转 化为另一种形式的光能，从而实
现光增益。
增益介质通常由特定元素或化合 物组成，如染料、晶体或光纤等。
对光增益的理解和认识
光增益是由介质中原子、分子或离子吸 收光子能量后，通过自发辐射或受激辐
射释放出相同频率的光子而产生的。
光增益的大小与介质的折射率、吸收系 数、自发辐射寿命等因素有关。
光增益的机制包括自发辐射、受激辐射 和受激吸收等，这些机制在特定条件下
可以相互转化。
对光增益的未来展望
随着光子技术的不断发展，光增益在激光器、光学放大器、光学传感等领域的应用前景将更 加广阔。
等领域的专家共同合作，推动光增益技术的实际应用和产业化发展。
05
结论
光增益的重要性总结
光增益是介质中光强度的增加，是光子能量在介质中传播时的重要现象。
光增益在激光技术、光学通信、光学传感等领域具有广泛的应用价值。
光增益的研究对于深入理解光与物质的相互作用机制，以及开发新型光 子器件具有重要意义。
集成化与微型化
随着微纳加工技术的发展，光增 益器件的集成化和微型化成为未 来发展的重要方向，这将有助于
提高器件的性能和降低成本。
光增益技术的挑战与机遇
技术挑战
光增益技术在实际应用中面临许 多技术挑战，如光增益效率、噪 声抑制、稳定性等问题，需要不 断研究和改进。
机遇
随着5G通信、物联网、云计算等 新兴技术的发展，光增益技术的 应用前景越来越广阔，为光增益 技术的进一步发展提供了机遇。
光学谐振腔原理
光学谐振腔原理一、引言光学谐振腔是一种光学器件，利用反射镜将光束反复地来回传播，形成驻波场，从而增强光的强度。
它广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
本文将详细介绍光学谐振腔的原理。
二、基本结构光学谐振腔由两个反射镜组成，其中一个镜子是半透明的，可以将一部分光线透过去。
当激光器发出一束单色激光时，它被反射镜反射回来，在两个反射镜之间来回传播，并在其中形成驻波场。
三、驻波场的形成当激光束从一个反射镜进入谐振腔时，它被反射回来，并在另一个反射镜上发生多次反射。
如果两个镜子之间的距离是整数倍的波长，则会形成一个驻波场。
在这个场中，电磁波的振幅和相位都是固定不变的。
四、增益介质为了使谐振腔中的激光能够不断地增强，需要在腔内加入一个增益介质。
增益介质是一种能够放大光信号的物质，如激光晶体、半导体等。
当激光通过增益介质时，它会被放大，并在反射镜上反射回来。
五、谐振条件为了使光学谐振腔正常工作，需要满足一定的谐振条件。
首先，两个反射镜之间的距离必须是整数倍的波长。
其次，增益介质必须具有足够的增益，以补偿光损失。
六、应用领域光学谐振腔广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
在激光器中，它可以使激光输出更加稳定和强大。
在光纤通信中，它可以使信号传输更加远距离和高速。
七、总结本文详细介绍了光学谐振腔的原理和基本结构，以及驻波场的形成、增益介质、谐振条件和应用领域等方面。
通过深入了解这些知识点，我们可以更好地理解光学谐振腔的工作原理，为实际应用提供更加有效的支持。
实验五 光纤激光器与光纤放大器的设计实验
实验五 光纤激光器与光纤放大器的设计实验一、实验目的1、掌握掺铒有源光纤的增益放大特性；2、掌握光纤激光器的原理及其基本结构，掌握光纤激光器的设计及其波长调谐方法；3、掌握光纤放大器的原理及其基本结构，掌握光纤放大器的设计以及基本特性参数的测试方法。
二、实验原理（一）光纤激光器的基本结构光纤激光器和其它激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。
纵向泵浦的光纤激光器的结构如图1所示。
图1 光纤激光器原理示意图一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。
左面镜对于泵浦光全部透射和对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。
右面镜对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。
这种结构实际上就是Fabry-perot 谐振腔结构。
泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。
激光输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。
对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得较高的粒子数反转。
通常当激光下能级的寿命超过上能级时只能获得脉冲输出。
光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，图2(a)、(b)分别表示三能级和四能级系统的跃迁系统的简化能级图。
两者的差别在于较低能级所处的位置。
在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。
而在四能级系统中激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁，电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。
泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚稳态，在亚稳态上积累电子造成粒子数多于激光下能级，既形成粒子数反转。
电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。
这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子，当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内损耗时，就会产生激光输出。
激光器光路系统的组成-概述说明以及解释
激光器光路系统的组成-概述说明以及解释1.引言1.1 概述激光器是一种将电能转化为激光能的设备，它在现代科技和工业领域发挥着重要作用。
激光器的光路系统是激光器的核心组成部分，它决定了激光器的性能和输出功率。
光路系统由多个元件组成，包括透镜、反射镜、光栅、偏振片等，它们共同构成了光学腔。
通过精心设计和优化光路系统，可以提高激光器的效率和稳定性，实现更精确的激光输出。
本文将介绍激光器光路系统的组成要素及优化设计方法，以探讨如何提升激光器的性能和应用价值。
1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分中，首先概述了激光器光路系统的重要性，然后介绍了文章的结构和目的，为读者提供了整体的阅读框架。
正文部分分为三个小节，分别是激光器的基本原理、光路系统的组成要素以及激光器光路系统的优化设计。
在这部分，将会深入探讨激光器的工作原理、光路系统中各个要素的作用和功能，以及如何优化设计光路系统以提高激光器的性能。
在结论部分，将对激光器光路系统的重要性进行总结，展望未来的发展趋势，并以简洁的结束语来概括文章的主要内容，为读者留下深刻的印象。
整个文章结构清晰，逻辑性强，希望能给读者带来新的启发和认识。
1.3 目的激光器光路系统作为激光器的核心部件，其设计和优化对于激光器性能的提升至关重要。
本文的目的在于深入探讨激光器光路系统的组成要素及优化设计策略，帮助读者更好地理解和应用激光器光路系统，提高激光器的输出功率、波长稳定性和光束质量，推动激光技术在各个领域的应用和发展。
同时，本文旨在引起更多研究者对激光器光路系统的关注，促进相关领域的研究和合作，为激光技术的进步和创新做出贡献。
2.正文2.1 激光器的基本原理激光器是一种能够产生聚焦、一定波长和相干性极高的光束的装置。
其基本原理是通过对物质进行激发，使之产生受激辐射，从而产生激光。
在激光器中，主要有三个要素：激发源、增益介质和谐振腔。
首先，激发源通常是一种能够提供能量的装置，例如激光二极管、氙灯等。
激光增益介质作用
激光增益介质的主要作用是放大光信号，使其达到足够强度的激光。
具体来说，增益介质是一种可以被激发并产生受激辐射的物质，通常是气体、液体或固体。
在激光器中，增益介质会吸收泵浦源提供的能量，然后将其转化为光能。
当增益介质中的粒子受到激发时，它们会从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转。
当这些粒子遇到与其能级差相等的光子时，会受到激发而跃迁到低能级，并同时辐射出与原来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。
这个过程称为受激辐射。
受激辐射产生的光子又可以继续激发其他粒子产生更多相同特征的光子，形成一个连锁反应。
这样，在共振腔内就形成了一个强度不断增加、特征高度一致的光束，即激光。
因此，增益介质在激光器中起着至关重要的作用，是实现激光输出的关键因素之一。
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
(完整版)光纤通信概论考试题及答案
光通信概论总复习1、原子的三种基本跃迁过程是：（ 1、2、4 ）（1）自发辐射；（2）受激辐射；（3）自发接受；（4）受激吸收。
2、光纤型光放大器可分为：（ 1、2、3 ）（1）光纤拉曼放大器（2）掺铒光纤放大器（3）光纤布里渊放大器（4）半导体光放大器3、下面说法正确的是：（ 3 ）（1）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须等于纤芯的折射率；（2）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于纤芯的折射率；（3）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须小于纤芯的折射率；（4）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于涂覆层的折射率。
4、光纤的单模传输条件是归一化频率满足：（ 1 ）（1）V<2.405 ；（2）V>2.405 ；（3）V<3.832 ；（4）V>3.832 。
5、 STM-4一帧的传输速率是（ 1 ）。
（1）9×270×8×8000；（2）9×270×8×8000×4；（3）9×270×8；（4）9×270×8×4。
6、光纤通信主要应用的3个波长是：（1、2、3、4）（1）850nm；（2）1310nm；（3）1550nm；（4）上述全部7、下面说法正确的是：（1、3 ）（1） F-P激光器的谱线宽度大于DFB激光器的线宽；（2）DFB激光器的线宽大于LED的线宽；（3）白炽灯的线宽大于DFB激光器的线宽；（4）LED的线宽小于DBR激光器的线宽。
8、下面说法正确的是：（1 ）（1）损耗对光纤通信系统传输距离的限制可用光纤放大器克服；（2）当损耗限制比色散限制距离短时，称这种光纤通信系统为色散限制系统；（3）色散对光纤通信系统传输距离的限制可用光纤放大器克服；（4）色散对光纤通信系统传输距离的限制可用光纤非线性克服。
9、多模光纤中存在的色散：（ 1、2、3、4 ）（1）模间色散；（2）材料色散；（3）波导色散；（4）偏振模色散。
增益的空间烧孔效应
增益的空间烧孔效应
在光学系统中，增益的空间烧孔效应是指当通过增益介质（如激光放大器）的光束过于强，超过了增益介质的饱和阈值时，光束会在增益介质中形成高强度的光束孔洞。
这种效应可以产生一系列非线性光学效应，对激光系统的性能产生影响。
增益介质中的空间烧孔效应主要由饱和吸收引起。
当光强度超过增益介质的饱和强度时，增益介质的吸收能力达到极限，无法继续提供放大效果，光束在增益介质中形成一个强光束孔洞。
这个孔洞的形成是由于饱和吸收导致的局部透明化，即光束强度越高，介质的吸收越强，形成了一个不吸收光的区域。
空间烧孔效应会引起一些问题。
首先，增益的非线性损耗会导致系统的放大效率降低。
其次，形成的孔洞会引起相位畸变和波前失真，影响光束的品质。
此外，孔洞的形成还可能使增益介质过热，导致介质的损坏。
为了克服空间烧孔效应带来的问题，可以采取一些措施。
例如，降低光束的强度，使用具有更高饱和光强的增益介质，或者采用空间均匀分布输入光束的方法。
此外，还可以结合自适应光学技术来实时补偿空间烧孔效应引起的波前畸变，提高激光系统的性能。
增益的空间烧孔效应是光学系统中的一个重要的非线性光学现象，需要仔细考虑和处理，以保证系统的稳定性和性能。
激光原理与技术期末知识点总结
辐射跃迁和非辐射跃迁
1. 辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。它必须
满足辐射跃迁选择定则。
如果原子的两个能级满足辐射跃迁选择定则，则有可能出现下述情况：
1) 一个处于高能级E2的原子，发射一个能量为 = h = E2 − E1
的光子，结果这个原子回到低能级E1。
2）一个处于低能级E1原子，从外界吸收一个能量为 = h = E2 − E1
➢当 ⋅ = 或 ⋅ = 时，共轴球面谐振腔为临界腔
三能级系统和四能级系统的受激发光过程
1. 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。
=
h
2
h
=
mc
c2
h
h
h 2
h
n0 = n0 =
n0 =
k
c
2
2
式（1-17）和式（1-18）把表征粒子性的能量ε和动量P与表征波动性的
频率ν和波长λ联系起来，体现了光的波粒二象性的内在联系。
原子能级示意图
原子能级和简并度
En
微观粒子（电子）只能处于一系列本征状态
E2
每一状态具有分立的能量值——能级
2 kT ν0
1/2
2 ln 2
f D (v0 ) =
vD
0.939
vD
ν − ν0
2 ln 2 1 2 −[4ln 2( νD ) ]
f D (ν ) =
( ) e
激光器的增益介质特性与光波输出功率关系分析
激光器的增益介质特性与光波输出功率关系分析激光器作为一种重要的光学器件，广泛应用于科研、工业制造等领域。
而激光器的增益介质特性与光波输出功率之间的关系对于激光器设计和优化具有重要意义。
本文将从增益介质的特性以及其与光波输出功率之间的关系展开论述。
首先，我们来介绍一下激光器的增益介质。
增益介质是激光器中的一个关键组件，它能够对光波进行放大，从而产生激光输出。
常见的增益介质包括气体、固体和半导体等。
每种增益介质的特性不同，影响着激光器的输出功率。
在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳、氦氖等。
其中，二氧化碳激光器在工业领域具有广泛应用，其增益介质CO2分子具有三个谐振频率，可以产生多个工作波长。
而氦氖激光器则可以产生可见光激光，对于显示技术等领域有着重要意义。
增益介质的选择与激光器的工作波长、输出功率等参数有关，需要根据具体应用需求进行调整。
在固体激光器中，常见的增益介质有Nd:YAG（钕掺杂钇铝石榴石）、Ti:sapphire（钛宝石）等。
这些增益介质以固体形式存在，具有较高的热导率和抗光学损伤性能。
尤其是Nd:YAG激光器，由于钕离子在激光器中的级跃能级结构，能够实现高能量、高功率激光输出。
而Ti:sapphire激光器则可调谐波长范围广、脉宽短，广泛应用于超快激光技术等领域。
而在半导体激光器中，增益介质常为半导体材料，如GaN（氮化镓）、InP（磷化铟）等。
半导体激光器具有体积小、功耗低、寿命长等优势，广泛应用于通信、显示等领域。
近年来，随着半导体材料研究的不断进展，半导体激光器在功率和效率方面得到了显著提高。
增益介质的特性直接影响着激光器的输出功率。
其首先表现在增益特性上。
增益介质具有某个特定波长的吸收带，当输入波长与吸收带相符时，增益介质将吸收能量并将其转换为激光输出。
因此，增益介质的带宽和增益特性决定了激光器的工作波长范围和输出功率。
此外，增益介质的储能时间也会对激光器的输出功率产生影响。
激光原理及应用复习资料(1)
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
基于Matlab软件的激光谐振腔振荡模式
本科毕业设计（论文）题目：基于Matlab软件的激光谐振腔振荡模式学生姓名：杨*学号：********专业班级：光信息科学与技术10-2班指导教师：***2014年6 月20 日基于Matlab软件的激光谐振腔振荡模式摘要光束质量是激光器的重要指标，激光谐振腔内模式的产生和特性与光束质量有极其密切的联系，因此对腔内模式的研究有重要的理论意义和实际意义。
腔内模式的经典理论只指出部分简单腔的解析解，而随着激光技术的不断发展，对于一些复杂腔型，无法求解其解析解，只能使用数值解。
本文基于Matlab软件，建立自再现模式方程，通过Fox-Li数值迭代法对谐振腔内的模式进行仿真，作出振幅分布和相位分布图，对谐振腔模式进行分析。
关键词：谐振腔；模式；Fox-Li数值迭代Laser resonator oscillation mode based on MatlabAbstractOutput and characteristics of the laser resonant mode has an extremely close relationship with the beam quality what is an important indicator of the laser, so the study of the resonant mode has important theoretical and practical significance. The classic theory of the resonant model is only pointed out the analytical solutions of some simple resonator. With the development of the laser technology, analytical solution is no longer applicable for some complex resonator. Only the numerical solution is useful. Building self-reproduction mode equation, it is possible to simulate the resonant mode by Fox-Li iterative method based on the Matlab software. The purpose is to analyze the resonator mode for making the amplitude and phase distribution figures .Keywords: Resonator ; Mode ; Fox-Li numerical iteration目录第1章绪论 (1)1.1 谐振腔综述 (1)1.1.1 谐振腔结构 (1)1.1.2 谐振腔稳定性判断 (1)1.1.3 稳定腔和非稳腔的结构特点 (3)1.2 腔内模式研究 (3)1.3 Matlab软件简介 (5)第2章光腔理论 (7)2.1 光腔理论 (7)2.2 光腔损耗 (7)2.3 模式分析 (8)2.3.1 横模 (8)2.3.2 纵模 (8)2.4 菲涅耳-基尔霍夫衍射[8] (9)2.5 自再现模 (10)2.6 分离变量法[9] (10)2.7 迭代法 (11)第3章方形镜共焦腔 (13)3.1 自再现模分析 (13)3.2 迭代解法[10] (14)3.3 Matlab 数值仿真 (14)3.3.1 基模 (14)3.3.2 高阶模 (15)3.4 精确解[11] (16)第4章圆形镜共焦腔 (18)4.1 自再现模分析 (18)4.2 数值模拟 (18)第5章结论 (21)致谢 (23)参考文献 (24)第1章绪论1.1 谐振腔综述工作介质、泵浦源和谐振腔三个部分构成了激光振荡器的基本结构。
第8讲 光的自激振荡
8.2 光的自激振荡现象
例：
考虑频率为 的单色光在增益介质内的自激振荡。
假设增益系数与光强的关系为
G
(
I
)
1
G0
I
I
s
介质的损耗系数为 ( G0 )，自激振荡的极限光
强 Im为多大？能否进一步给出光强与距离z的函数 关系？
8.2 光的自激振荡现象
解：
达到极限光强Im需要满足条件：G(Im)=α
8.2 光的自激振荡现象
损耗系数α
定义：光通过单位长度介质后，光强衰减的百分比。
- dI (z) 1
dz I (z) 同时考虑介质内的增益和损耗，传播dz距离，光强 的改变量表示为：
dI(z) G(I ) I (z)dz
8.2 光的自激振荡现象
什么是自激振荡
广义而言，自激振荡是指不外加激励信号而自行产生的 恒稳和持续的振荡。
第8讲 光的自激振荡
教学内容
8.1 增益饱和现象 8.2 光的自激振荡现象
8.1 增益饱和现象
增益饱和现象的唯象理解
因此在增益介质中，随着光强I的逐渐增大，增益系数G 逐渐减小，G是光强I的单值函数，记为G(I)。
8.1 增益饱和现象
什么是增益饱和
增益介质内的增益系数G(I)随光强的增大而逐渐减小， 进而导致受激光放大过程逐渐减慢； 这种现象称为增益饱和现象，简称增益饱和。
1Fra bibliotekG0Im
Is
Im
G0
Is
因此：小信号增益系数越大，自激振荡的光强越
大；要使自激振荡的光强达到Is (饱和光强)，需 要G0=2α
G0
激光考试题及答案
激光考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 激光的产生是基于哪种物理现象？A. 光电效应B. 康普顿散射C. 受激辐射D. 黑体辐射答案：C2. 以下哪种材料常用于制造激光器的增益介质？A. 氖气B. 氩气C. 红宝石D. 石英答案：C3. 激光的相干性主要取决于哪种特性？A. 单色性B. 亮度C. 单向性D. 相位答案：D4. 激光的波长范围通常在哪个区间？A. 微波B. 红外线C. 可见光D. X射线答案：C5. 以下哪种激光器属于固体激光器？A. He-Ne激光器B. CO2激光器C. Nd:YAG激光器D. 染料激光器答案：C6. 激光冷却技术中，通常使用的是哪种类型的激光？A. 连续波激光B. 脉冲激光C. 单频激光D. 多频激光答案：B7. 以下哪种激光器可以实现超短脉冲输出？A. 光纤激光器B. 半导体激光器C. 固体激光器D. 气体激光器答案：A8. 激光在医学领域的应用不包括以下哪项？A. 眼科手术B. 肿瘤治疗C. 皮肤美容D. 核反应堆控制答案：D9. 激光测距的基本原理是什么？A. 多普勒效应B. 光的干涉C. 光的衍射D. 光的反射答案：D10. 以下哪种激光器不属于高功率激光器？A. 光纤激光器B. 化学激光器C. 半导体激光器D. 固体激光器答案：C二、填空题（每题2分，共20分）11. 激光的全称是________。
答案：受激辐射光放大12. 激光的三个主要特性是________、________和________。
答案：单色性、相干性和方向性13. 激光器的工作原理基于________效应。
答案：受激辐射14. 激光器的增益介质可以是________、________或________。
答案：固体、气体、液体15. 激光冷却技术中，常用的激光类型是________激光。
答案：脉冲16. 激光在工业加工中的主要应用包括________、________和________。
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2）横模 激光光强沿谐振腔横向的每一种稳定的模式
产生横模的主要原因:谐振腔两端反射镜的衍 射作用和初始自发辐射的多样性
某些 激光 横模 的光 强分 布
基模
轴 中 对 心 称 对 分 布 称 旋 转 旋 对 转 称 对 分 布 称
高阶横模
基横模光束质量高 高阶横模输出功率大
没有特殊要求通常都选择基横模输出 基横模输出的特点： •亮度高 •发散角小 •光束横截面上径向光强分布较均匀 •横截面上各点的相位相同 空间相干性最好
一.光的吸收与辐射
自 发 辐 射
E2
E1
dN 21 ( )自发 N 2 A21 dt
受 激 辐 射
E2
自 发 辐 射 系 数
受 激 吸 收
E2
E1
dN12 ( )吸收 kN1IB dt
受 激 吸 收 系 数
E1
dN 21 ( )受激 kN 2 IB dt
受 激 辐 射 系 数
自发 受激 辐射 辐射 光波的频率 相位偏振态
8
c 3 10 8 k 1.5 10 Z 2nL 2 1 1
而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为
=1.3×109 HZ
在 区间中 可以存在的纵模个数为
1.3 109 N 8 k 1.5 108
I I
I0 0 2
I0 eGL
r1I0 eGL
r1
3. 光学谐振腔的选频 在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模 1）纵模 沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的 光振动（驻波）称为一个纵模
I ( 0 )
谱线是有一 定的宽度的
I ( 0 )
I ( 0 ) 2
0
例如Ne原子的0.6328 m谱线的频率宽度为
I 0
若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。
例 He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现
亚稳态
碰撞 电子
碰撞
三. 增益介质中光强随传播距离的变换关系
增益介质：处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。 经过介质薄层, 光强增量为 I0
dI GIdz
z dI I0 I 0 Gdz I
I
I+dI
增 益 介 质
I
I I 0eGz
G -- 增益系数 说明
I0
o
z
dz z
在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。
四. 激光器的基本构成及激光的形成
1. 基本构成部分 谐振腔，增益介质， 激励能源。 2. 激光的形成 光束在谐振腔内 来回震荡，在增 益介质中的传播 使光得以放大， 并输出激光。
一般情况下 无关 全同
B B
二.粒子数反转和光放大
受激吸收
介质中的光强 I
受激辐射
自发辐射
- kN1 IB
+ kN2 IB
E 2 E1 kT
忽略
光强变化 热平衡 状态 介质
I ~ ( N 2 N1 )IB
N2 e N1
1
N 1 N 2 I 0
粒子数 反转态
说明
N 2 N1
小结: 激光器的三个主要组成部分
1.激活介质： 有合适的能级结构
能实现粒子数反转
2.激励能源：
使原子激发 维持粒子数反转 3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和 单色性
四、 激光的特点 1.相干性极好 •时间相干性好
相干长度可达几十公里
•空间相干性好 激光波面上各个点可以
做到都是相干的（如基横模） 2.方向性极好
第一节
激
光
激光又名莱塞 (Laser)
全名是 “辐射的受激发射光放大”
（Light amplification by stimulated
emission of radiation）
世界上第一台激光器诞生于1960年
1954年制成了受激发射的微波放大器
——梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论
六. 几种常见的激光器
1. 氦氖激光器
高压 直流电源
工作物质：氖气
激励方式：直流气体放电
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和
激发态（3p、2p）之间形成反转分布。
2. 红宝石激光器 红宝石
脉冲 氙灯
椭圆柱面
触发
高压 直流电源
发散角可小到 10 -4red（0.1）
投射到月球（38万公里）光斑直径仅约 2公里 测地—月距离精度达几厘米
3.亮度和强度极高
亮度： B > 10 W m Sr～ 10 B太阳
p
16
2
10
光源亮度：
Δp B Δ S Δ Ω
S
强度：聚焦状态可达到 I 1017 W/cm2 脉冲瞬时功率可达～10 14 W 可产生108K的高温 引起核聚变
1.3 10 9 Hz
0 1 3 c zH 0 1 5 6 0 18 2 3 6.0
8 41
Δ
1.3 10 6 3 10 14 5 10
9
而为什么He—Ne激光器输出激光的
Δ
会小到10 - 15 呢？
原因: 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉
通过缩短腔长和 控制反射镜膜厚 等手段可使输出 纵模个数减少
例如利用缩短腔长来加大k 可以使 区间中只存在一个纵模频率
I I0
I0 2
I
如上述He—Ne激光器 L 从 1m缩短到 0.1m
则k要增大到10倍 在 区间中可能存在的纵模个数Ｎ仅为1 从而获得了线宽极窄的0.6328 m激光 极大地提高了单色性（但损失了光强） 也可以在腔内插入F─P标准具选频
谐振腔 增益介质
全反 射镜
激励能源
部分 反射镜 (99)
五. 谐振腔的作用
1. 限定光的方向 沿轴线的光在增益介质内来
增益介质
回反射，连锁放大，输出形 成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。 2. 延长增益介质 阈值条件
增益介质
r1r2e 2GL 1
r2
I0 r1r2I0 e2GL r1I0 e2GL ≤
由驻波条件知 往返光程
2nL kk ( k=1、2、3、…．)
n —谐振腔内工作物质的折射率
k—真空中的波长
2nL k k
k=1
k=2
k=3
L
c 可以存在的纵模频率为 k k k 2nL
c 相邻两个纵模频率的间隔为 k 2nL
数量级估计：
c
L～ 1 m n ～ 1.0 c = 3108 ms