激光器的工作原理

0g1g21
(2)据稳定条件的数学形式,
稳定腔:
0g1g21
非稳腔: 临界腔:
g1g或2 1
g1g或2 g11g2=0
g1g2 0
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)
g 1 g 2 (1 R L 1)1 (R L 2) (R 1 L R 1 )R R 2 (2 L )
符号规则: 凹面向着腔内时(凹镜) Ri＞0 , 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
(一）稳定腔: 0g1g21
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。
R1
R2
其一为： R1 L 且 R2 L
证明：
∵
R1＞L
∴ 0＜ L ＜ 1 R1
L
0＜1 L ＜1
R1
即：0＜g1＜1 ，同理 0＜g2＜1
所以：0＜g1g2＜1
R1
R2
其二为： R1＜L R2＜L 且 R1+R2＞L L
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 .
R1
R2
或者:R2＞L , R1＞R2 L
L
可以证明: 0＜g1 g2＜1. (方法同上)
(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
R2 共轴
球面
R1
球面
R1
共轴 R2
球面 R1
共轴
球面 R1
共轴 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)
n2
f2 f1
n1
n2
f2 f1
n1
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。
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
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
h2 < h1, h3
h3
半导体激光器 介质波导腔
(a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔
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 E1
n3 n2
玻尔兹曼分布
n2
E2 E1
e KT
n1
n n1
E
E2 E1
n1 n2
反转分布
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
w21n2 B21n2 w12n1 B12n1
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 A 21
w 2 1 n1 STE光子集中在几个模式
轴向模
非轴向模
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。
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
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
1.描述光腔稳定性的g参量,定义: 共轴
g1
1
L R1
g2
1
L R2
R1
R2
L
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);
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
R1 ;
R2
∞, g2= 1
∴ 0 ＜ 1 1 gR L 1＜ 1 ＜ 故有 0 ＜ g 1g 2 1
3.凹凸稳定腔:
3.凹凸非稳腔 凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:
其一是: R2＜0, 0＜R1＜L
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，
条件有两种情况.
R1
R2
其一为: R1<L, R2>L
L
此时 g11R L10 g21R L20
所以 g1 g2＜0
其二为: R1+R2＜L
可以证明: g1 g2＞1 (证明略)
2.平凹非稳腔 稳定条件: R1＜L , R2= ∞
证明 : ∵g2=1, g1＜0 ∴ g1 g2＜0
R1
R2
L
R1 L
证明：∵R1＜L ∴ 1 L ＜ 0 即 g1＜0
R1
同理：g2＜0 ，∴g1g2＞0 ；又∵ L＜R1+R2
∴ L2 ＜R1R2 L
R1R2 R1R2
或
（1L）（ 1 L） 1R1R2 L L2 ＜1
R1
R2
R1R2
R1R2
ห้องสมุดไป่ตู้
即
g1g2＜1
0＜ g1g2＜1
如果 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳
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
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)。