激光原理及应用Chapter2.ppt

* 第二章 激光器的工作原理 激光原理及应用 激光原理及应用 产生激光的三个条件 增益介质：提供放大作用的增益物质，其激活粒子有产生受激辐射的能级结构 外界激励源：用外界能源将介质造成粒子数密度反转分布的状态 光学谐振腔： 增长激光介质的长度， 控制光束的传播方向， 选择受激辐射的光频率 第二章 激光器的工作原理 §2. 1. 光学谐振腔结构与稳定性 2.1.1 共轴球面谐振腔的稳定性条件 1. 规定曲率半径为R，焦距为f，物距s和象距s′, 在反射镜前面为正，在反射镜后面的为负，则有： 1) 对于凹透镜，R0，f=R/20 2) 对于凸透镜，R0，f=R/20 3) 对于平面镜， 2. 成像公式为: 3. 如图(2-1)所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球面反射 镜的曲率半径R1、R2，和腔长,即与光轴相交的反射镜面上的两个点之间的距离L。可以证明共轴球面腔的稳定性条件是: 图(2-1) 共轴球面腔结构示意图 第二章 激光器的工作原理 §2. 1. 光学谐振腔结构与稳定性 2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类 1.常常使用稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件，定义： 共轴球面谐振腔的稳定性条件可改写为: 如图(2-2)所示，图中没有斜线的部分是谐振腔的稳定工作区，其中包括坐标原点。图中画有斜线的阴影区为不稳定区，在稳定区和非稳区的边界线上是临界区。对工作在临界区的腔，只有某些特定的光线才能在腔内往返而不逸出腔外。 当 时，共轴球面谐振腔为稳定腔 当 时，共轴球面谐振腔为非稳腔 当 时，共轴球面谐振腔为临界腔 图(2-2) 共轴球面腔的稳定图 第二章 激光器的工作原理 §2. 1. 光学谐振腔结构与稳定性 2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类 2.利用稳定条件可将球面腔分类如下: 双凹稳定腔:由两个凹面镜组成，对应图中l、2、3和4区 平凹稳定腔:由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中AC、AD段 凹凸稳定腔:由一个凹面镜和一个凸面镜组成，对应图中5区和6区 共焦腔: R1/2+R2/2＝L， R1＝R2＝L，g1=0，g2=0，对应图中的坐标原点 半共焦腔: 由一个平面镜和一个R=2L的凹面镜组成的腔，对应图中E和F点 (1) 稳定腔 (2) 临界腔 平行平面腔: 对应图中的A点。只有与腔轴平行的光线才能在腔内往返 共心腔: 满足条件R１＋R2＝L，对应图中第一象限的g1g2＝1的双曲线 半共心腔: 由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中C点和D点 (3) 非稳腔 对应图中阴影部分的光学谐振腔都是非稳腔。 图(2-2) 共轴球面腔的稳定图 第二章 激光器的工作原理 §2. 1. 光学谐振腔结构与稳定性 2.1.3 稳定图的应用 1.制作一个腔长为L的对称稳定腔，反射镜曲率半径的取值范围如何确定？AB 2.给定稳定腔的一块反射镜，要选配另一块反射镜的曲率半径，其取值范围如何确定? 确定g1=C，作图求g2 3.如果已有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长范围如何确定？建立半径比率R1/R2，求解g2=f(g1)的方程 图(2-3) 稳定图的应用 图(2-2) 共轴球面腔的稳定图 第二章 激光器的工作原理 §2. 2. 速率方程组与粒子数反转 2.2.1 三能级系统和四能级系统 实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程：三能级和四能级系统 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 四能级系统：如图(2-4b)，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。 图(2-4) 三能级系统和四能级系统示意图 第二章 激光器的工作原理 §2. 2. 速率方程组与粒子数反转 2.2.2 速率方程组 1. 图(2-5)为简化的四能级图，n0、n1、n2分别为基态、激光下能级、激光上能级的粒子数密度；n为单位体积内增益介质的总粒子数，R1、R2分别是激励能源将基态E0上的粒子抽运到E1、E2能级上的速率；则E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为： 同理，单位时间内E1能级上增加的粒子数密度为 ： 以上三式即为在增益介质中同时存在抽运、吸收、自发辐射和受激辐射时各能