光电子学与光电子器件第二章-激光教材教学课件.ppt

光电子学与光电子器件; ;光的受激辐射概念的产生;任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。;单色能量密度;Planck辐射能量量子化假说;激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说;玻尔频率条件：;受激吸收 自发辐射 受激辐射;一）自发辐射;自发跃迁几率A21;减少率dN2;能级的寿命;于是有;三）受激吸收---由受激辐射的逆过程; B12 是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的B12值。;U12 的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到E2上的粒子数与能级E1上的总粒子数之比，也可以理解为每一个处于能级E1的粒子，在u(v)的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。 因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来辐射场的u(v)有关的过程。;二）受激辐射;式中B21 叫做爱因斯坦??激辐射系数，它是原子能级 系统本身的特征参数；U21 则表示在单位时间内，在 单色辐射能量密度u(v) 的光照下，由于受激辐射而从 高能级E2 跃迁到E1 的粒子数与E2 能级总粒子数之比， 也就是在E2 能级上每一个粒子在单位时间内发生受激 辐射的几率。;受激辐射与自发辐射的区别;激光的基本原理、特性和应用---三种跃迁过程;激光的基本原理、特性和应用---爱因斯坦公式;激光的基本原理、特性和应用---爱因斯坦公式;介质的增益和增益饱和;吸收介质 ;正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 ;粒子数反转和光放大;激光器的基本结构;亚稳态;三能级系统原理;四能级系统原理;谐振与阈值;要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必须保证：R2R1exp(2GL)≥1,即;综上所述，形成激光的必要条件有两个;基模腰斑半径 ;1）激光器的阈值条件;同一横模不同纵模具有相同的α， 因而具有相同的阈值 ；;阈值反转集居数密度 ： ;短脉冲激光器;连续激光器;三能级系统所需的阈值能量比四能级系统大得多 ;连续激光器;总体效率 ;3）模式---模体积;例：（二氧化碳激光器） ?=10.6?m, L=1m, 2a=20mm ? =5.3cm3 V=314cm3 / V = 5.3 / 314 = 1.7% 难以获得高功率;4）激光束的发射角 ;激光的特性;一）激光的空间相干性和方向性 ;激光器工作在TEM00单横模;方向性好;二）激光的时间相干性和单色性 ;激光的单色性;相干性好;三）激光的高强度 ; 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。;低能激光武器;2.7 高斯光束及其光学变换;一）基模高斯光束;1、曲率不断变化的非均匀球面波； 2、横截面内振幅/强度分布为高斯分布； 3、等相位面始终保持为球面。;;;;q 参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化; q 参数表征高斯光束的优点: 将描述高斯光束的两个参数w(z)和R(z)统一在一个参数中, 便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律 高斯光束三种描述方法的比较;;2）高斯光束通过薄透镜的变换;;已知F、l、w0;;一）高斯光束聚焦;设束腰放大率M（像方束腰大小与物方束腰大小之比）;当l=0时，不论透镜焦距多大，只要焦距大于0它总会有聚焦作用，且像距始终小于F，即像方腰斑位置在透镜后焦点以内。;当;;高斯光束的聚焦方法;二）高斯光束的准直;因;如何借助透镜改善高斯光束的方向性 ;b）用倒装望远镜对高斯光束准直;;由上式可知，一个给定望远镜对高斯光束的 准直倍率不仅与望远镜的本身结构有关，还 与高斯光束的腰斑及腰斑与副镜的距离有关;三）高斯光束匹配;? 情况1：已知w0, w’0, 确定透镜焦距F及透镜的距离 l, l’;? 情况2: 两腔相对位置固定 (即两个光腰之间的距离);固体激光器;1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器;固体激光器的基本结构与工作物质;图 红宝石中铬离子的能级结构;红宝石激光器;掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) ;图 Nd3＋:YAG 的能级结构;固体激光器的泵浦系统;图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔， 它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 ;固体激光器的输出特性;新型固体激光器;2. 可调谐固体激光器——输出波长可变化 ;;氦-氖(He-Ne)激光器;与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图;2. He-Ne激光器的输出特性 ;He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。 在