第一章激光的基本特性分析.ppt

* * * * * * * * 黑体辐射源的光子简并度： * * * * * * 1）光波模式的选择——光学谐振腔 2） 光的受激辐射放大 一、光放大概念的产生 热平衡状态： E2E1， n2n1 光通过物质时，受激吸收光子数受激辐射光子数，所以处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。 * * 二、实现光放大必要条件 * * 1）集居数反转：受激辐射受激吸收 n2n1 选择具有亚稳态能级结构的工作物质。 2）激光介质（激活物质或增益介质）： 处于粒子数反转状态的物质 实现粒子数反转——泵浦（激励）过程（必要条件） 泵浦方式：电泵、光泵、化学泵、核泵 * * 二能级工作物质（半导体） 受激吸收 受激辐射 自发辐射 E2 E1 * * 三能级工作物质（红宝石） * * 四能级工作物质（Nd:YAG, He-Ne） * * 光在介质中传播的物理图像 处于集居数反转状态的物质称为激活介质，也是一个光放大器。 * * 1） 增益系数g ——放大作用的大小, 表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。 三、光放大物质的增益系数与增益曲线 * * * * （1）小信号增益的情况，集居数差值为常数 增益介质 * * 当光强增大时，集居数差值随z增加而减少，增益g也随z的增加而减少。——增益饱和效应 （2）大信号增益的情况 ——饱和光强，描述增益饱和效应而引入的参量。 * * 2） 增益曲线 增益系数随光波频率v的变化曲线。 g(v0) g(v0)/2 中心频率 宽度(线宽) g(v0) g(v0)/2 g(v) * * §1.4 光的自激振荡 损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分比 一、自激振荡概念 同时考虑到增益和损耗时， ——激光器都是激光自激振荡器 * * 当 , I(z)达到一稳定的极大值: 注意： 极大值只与放大器本身参数有关，与初始光强无关。只要放大器足够长，就会形成确定光强。 * * 光学谐振腔(optical cavity) 组成：两块反射镜互相严格平行，且垂直于工作物质轴线。——等效于增加放大器长度。但对激光器的产生，这个腔并不是不可缺少的。 将放大器置于其中，增加了光的反馈，自发辐射光经过多次受激辐射放大而在轴向光波模上产生光的自激振荡。 激光器 * * 3）提供轴向光波模的反馈。 2）模式选择，保证激光器单模振荡，提高相干性； 谐振腔作用： 1）延长增益介质的作用来提高光能密度； * * 二、振荡条件 激光器的振荡条件： 激活介质（放大器）的小信号增益系数 包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数 当工作物质长度为l，光腔长度为L，单程小信号增益因子和光腔单程损耗因子为 * * 激光器的振荡阈值条件： 激活器特性（输出功率、单色性、方向性等）、激光技术都与工作物质的增益、光腔的损耗特性有关。 * * conclusion 光放大器和光学谐振腔 2．产生激光的必要条件是： 激光工作物质；泵浦源。 1. 激光器的基本结构包括： * * §1.5 激光的特性 （The Characteristics of Laser） “三好一高”——很高的光子简并度 1.单色性好。 （应用：光尺、激光测速） 2.相干性好。 （应用：光信息处理） 3.方向性好。(应用：测距、定向、雷达） 4.高亮度。（应用：工业加工、激光手术、 激光武器） 激光这一特性正是由于受激辐射的本性和光腔的 选模作用得以实现。 * * 一、空间相干性和方向性 光腔模式TEMmnq：纵模和横模 激光的方向性越好，空间相干性就越好。 TEM：transverse electromagnetic wave * * 激光最小发散角（衍射极限角）： He-Ne激光器 * * 不同类型激光器的方向性与工作物质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式和激光器工作状态有关。 气体激光器方向性最好 固体激光器方向性较差 半导体激光器方向性最差 * * 二、时间相干性和单色性 相干时间和单色性关系： 选模技术和稳频技术对提高相干性十分重要。 * * 三、激光的高亮度（强相干光） 亮度B： 单色亮度： * * * * 作业 1、解释增益系数、吸收系数的概念； 2、怎样理解激光器产生自激振荡的振荡条件？ 3、P23第一章习题1、4、5、8、9。 (涉及到激光器的参数参见P338附录) Δx Δy Δz 在波矢空间，每个模式占有的体积元： * * 在波矢 空间中, 每个模式