yz第一章激光的基本原理.ppt

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激光原理 张 宇 zhangyu@scau.edu.cn 电子科学与技术教研室 激光雕刻机 Dn(z) 0 z 增益介质 I(z) I0 0 z dz薄层 净STE光子数密度 增益系数与反转粒子数密度成正比 此处为何不考虑自发辐射? 若介质中Dn分布均匀, g(z)?常数 g0 -小信号增益系数 光放大 光被吸收 透明* 随着光强不断增大,增益系数是否能保持常数 请考虑每一变化的物理原因? 受激辐射使消耗的反转粒子数增多 (注意前提条件) 反转粒子数饱和 增益饱和 - 大信号情况 ? 饱和光强 Is : 由增益介质本身性质决定(4.5节讨论) g 随 I 的增大而减小-增益饱和 (Gain Saturation) 小信号增益系数,常数,与 I 无关 大信号情况, g(I) g0 增益饱和 增益曲线 g(n) -增益系数相对于频率的分布 问题的提出:引起STE的外来光(自发辐射)不是单一频 率,有一定的频率分布,(第四章详细讨论) 增益线宽Dn 定义: 增益曲线极大值的半高全宽 (FWHM) n g(n) n0 ?? r1 r2 medium energy source 大多数能源都能作为泵浦源,激光器也能作为泵浦光源。 泵浦方法 光 a) 闪光灯;b) 其它激光器(如半导体激光器) 电 a) 气体放电; b) 大能量电子束; c) 注入电流 ( 产生电子-空穴对 ) 3. 化学反应 a) 火焰; b) 爆炸 4. 电离性辐射 a) 核弹 b) X-ray 四.为了实现粒子数反转,常见泵浦或称激励源: 金绿宝石中Cr3+的能级示意图 1.4 光的自激振荡 1.4 光的自激振荡 激光器 激光自激振荡器 一.自激振荡概念 光的损耗系数定义:光通过单位距离后光强衰减的百分数。 考虑增益和损耗情况时: 1.4 光的自激振荡 r1 r2 Active medium Pump for producing an inversion 如何实现光的正反馈和稳定的振幅(光强)? 光谐振腔 增益和损耗达到平衡 增益和损耗同时存在时的物理过程: 当 时 不再增加,达到一个稳定极限 ,据此可求得: 起初光强按小信号放大规律增长: 当光强增大后,增益系数产生饱和效应而随着光强的增加而减小: 只要增益介质足够长,无论初始光强 I0 如何,通过增益饱和,总可以达到确定的极值光强 Im 即自激振荡概念。也就是说激光放大器的长度足够大时,它可能成为一个自激振荡器。 1.4 光的自激振荡 I0 Im g g0 ? z z I0 激光器是否振荡与初始光强无关 初始光强来自于自发辐射 介质增益饱和作用使增益和损耗的平衡决定了激光的最后输出功率 如何使有限长增益介质成为“无限长”光放大器 ? 沿着腔轴的光在腔内多次往返 等效无限长放大器 光谐振腔: 光学正反馈; 同相位 增益饱和:极值光强; 稳定振幅 1.4 光的自激振荡 二. 振荡条件 激光器产生自激振荡,即任意小的初始光强 都能形成确定大小的腔内光强 增益和损耗的振荡条件 1.4 光的自激振荡 Index of refraction : h medium length L r1 r2 I0 I1 Threshold condition (阈值条件) 另外一种思路推导: Flash lamp Flash lamp Output beam External mirror External mirror Partly transmission Ruby laser 694.3nm 发光粒子-铬离子 (Cr3+) 泵浦光源-闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔-两平面反射镜,实现光反馈,使受激辐射光放大形成激光 以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例 4.振荡条件式也表示为另一种形式。设工作物质长度为l,光 腔长度为L,令αL=δ称为光腔的单程损耗,振荡条件可写为 1. 称为阈值振荡情况,这时腔内的光强与初始值接近; 2. 时,腔内 增加,并正比于 增益和损耗这 对矛盾是激光是否振荡的决定因素; 3.激光器的一切特性以及对激光器采取的技术措施都与增益和 损耗特性有关。 结论: 1.4 光的自激振荡 激光的四性:单色性、相干性、方向性、高亮度 即:激光具有很高的光子简并度 P20图1.5.1 1.5 激光的特性 1.5 激光的特性 一.激光的空间相干性和方向性 光束的空间相干性和方向性(用光束发散

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