激光器组成和模式选择

激光的基本原理、特性 —激光器的组成
控制振荡模式的特性（选择光波的频率和 方向） 由于光束在腔内多次的来回反射，只有 极少频率的光满足干涉相长的条件，光强得 到加强，频率得到筛选，特别在谐振腔轴线 方向，可以形成光强最强，模数最Baidu Nhomakorabea的激光 振荡，而和轴向有较大夹角的光束，则由侧 面逸出，不能形成激光振荡。
激光的基本原理、特性 —激光器的组成
激光的基本原理、特性 —激光器的组成
泵浦源 从直接实现粒子数反转的方式分类，主要有以下 泵浦方式： 光激励方式 气体辉光放电或高频放电方式 直接电子注入式 化学反应方式
除了上述四种泵浦方式外，热激励，冲击波，电子 束，核能等都可能用来实现粒子数反转。究竟采用哪 种泵浦方式，因工作物质的能级系统结构而定。

激光的基本原理、特性 —激光器的组成
激光的纵模和横模
一、纵模（振荡频率）
全反 射镜
部分 反射镜
光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡
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振荡纵模
k
k k 1
纵模间隔

0
辐射线宽内的纵模个数
N k
N 个纵模
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讨论
（1）使激光按单模输出，则其单色性由单模线宽决定。
（2）若输出光是多模的，其单色性和普通光源一样由辐射线宽决定。
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二、横模
激光束横截面上几种光斑图形
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夫琅和费单缝衍射的光强分布
夫琅和费圆孔衍射
艾里斑
激光的基本原理、特性 —激光器的组成
光学谐振腔 作用： 提供轴向光波模的正反馈 通过谐振腔镜面的反射，轴向光波模可 在腔内往返传播，多次通过激活介质而得到 受激辐射放大，从而在腔内建立和维持稳定 的自激振荡。
激光的基本原理、特性 —激光器的组成
腔模：在激光技术的术语中，通常将激光谐振 腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式。 电磁场的每一个本征态都具有一定的频率得和 分布空间。 从光子的角度看，激光模式，就是腔内可区 分的光子的状态，同一模式的内的光子具有相 同的状态，且具有相同的基本特征，主要包括： 电磁场分布 谐振频率 在腔内往返一次所经受的功率损耗 相对应的激光束的发散角
激光的基本原理、特性 ——激光器的基本结构
供给工作物质 能量
激励能源
光抽运
激活介质
激光束
使入射光得到 放大，是核心
光学谐振腔 只让与反射镜轴向平行的光束 能在激活介质中来回地反射， 连锁式地放大。最后形成稳定 的激光输出。
激光的基本原理、特性 ——激活介质的粒子数反转
激发态
E
3
E
无辐射跃迁
3
无辐射跃迁
激 励
抽 运
E
A B B
21 12 21
2
亚稳态
激 励
E
2
抽 运
A B12 B
21
21
E
1
E
1
基态
E
0
三能级图
四能级图
三能级系统原理
•
E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为 亚稳态。在泵浦作用下，基态 E1 的粒子被抽运 到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由 于 E3 能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以 无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态 寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1， 于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分
布。
四能级系统原理
• • 三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎 全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运 很快，才可使N2 > N1 ，实现粒子数反转。
四能级系统是使系统在两个激发态 E2 、 E1 之间实现粒 子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态，其上 的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有 积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反转分布，在能 级E2 、E1 之间产生激光。于是，E3 上的粒子数向E2 跃迁， E1上的粒子数向E0 过渡，整个过程容易形成连续反转，因 而四能级系统比三能级系统的效率高。