《激光原理》课件：laser1-4.ppt

1、第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生激光器的基本思想 封闭腔中光子简并度 极低 开腔中的激活介质能对光进行受激辐射放大（而不是受激吸收）。21213212138BWEnhhh mAAc n 开腔能够提高光子简并度 （通过腔对光波模式进行选择）第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生1 1、受激辐射占优势的条件、受激辐射占优势的条件 粒子数反转分粒子数反转分布布12nn 实现粒子数反转的工作物质称为实现粒子数反转的工作物质称为增益（或激活）介质增益（或激活）介质。 粒子数反转分布是产生激光的前提条

2、件。粒子数反转分布是产生激光的前提条件。 如何实现粒子数反转分布？如何实现粒子数反转分布？211212ffennKTEEBolzman分布反转分布反转分布12nn En1n2n3n1E2E3E 只有依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才只有依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，实现粒子数反转。能打破热平衡，实现粒子数反转。粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生2 2、激活介质对光的增益与损耗、激活介质对光的增益与损耗增益系数：增益系数：描述激光工作物质放大特性的参数。描述激光工作物质放大特

3、性的参数。激活介质：指已经处于粒子数反转状态的工作物质。激活介质：指已经处于粒子数反转状态的工作物质。定义：光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。定义：光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。0z增益介质I(z)I00zdz薄层 1dI zG zdzI z 00G zI zI e当当 不随不随 变化，是常数时，有变化，是常数时，有：Gz第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生 212121dI zW nW nh dz 2121dI zB hznznzdz 2121G zB hnznzDn(z)21ff 0z增益介质I(z)I00zdz薄层2

4、11221WWB G zn z D净净STE光子数密度光子数密度 G zn z D证明：证明： 1dI zG zdzI zIc（介质的折射率）（介质的折射率） 1dI zG zdzI z第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生 损耗系数损耗系数 a a 激活介质中不仅存在增益，还有损耗。激活介质中不仅存在增益，还有损耗。损耗系数单位长度光强衰减的百分比。（负增益系数）损耗系数单位长度光强衰减的百分比。（负增益系数）G zIdzzdIz1 0zI zI eG & 并存的介质中，光强的变化 dI zG zI z dz解微分方程并有 00GzI zI

5、edz薄层G & 是小信号增益。是小信号增益。0G第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生（1 1）平均单程损耗率）平均单程损耗率定义：定义：10II21lnI I0 0：初始光强，：初始光强，I I1 1：往返一周后的光强。：往返一周后的光强。分类：分类：选择性损耗：损耗大小与横模有关，如衍射损耗；选择性损耗：损耗大小与横模有关，如衍射损耗；非选择性损耗：损耗大小与横模无关，如输出损耗。非选择性损耗：损耗大小与横模无关，如输出损耗。3 3、无源腔损耗、无源腔损耗201eII或或10II21ln2102lneIIln210eII201eII证：证

6、：第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光的产生计算：计算： 衍射损耗：衍射损耗：由于衍射作用反射镜不能覆盖衍由于衍射作用反射镜不能覆盖衍射光而造成的损耗。射光而造成的损耗。2aLL L：腔长：腔长, , ：光波长：光波长, a, a：反射镜半径：反射镜半径证：证：2a2a2(a+L2(a+L ) ) L L设初始光强为设初始光强为I I0 0则单程光强为：则单程光强为：20LaaIIaL2aL12aLaII20lnlnlna22aLa2aL2)0( ,)1 (xxxln第第1 1章章 激光产生的物理基础激光产生的物理基础1.3 1.3 激光的产生激光

7、的产生输出损耗：输出损耗：由于反射镜透射光而造成的损耗。由于反射镜透射光而造成的损耗。1 21ln2rr 2Tr r1 1、 r r2 2: :两反射镜的反射率两反射镜的反射率T:T:半反镜的透射率半反镜的透射率（r1=1, T=1-r2 0.05）或或证：证： 设初始光强为设初始光强为I I0 ,0 ,则往返一周光强为则往返一周光强为I I1 1=I=I0 0r r1 1r r2 2001 210 1 2111lnlnln222IIrrII rr T)(121ln当T 下能级粒子数）下能级粒子数）产生激光的条件：产生激光的条件： （2 2）增益）增益 损耗损耗 即自激振荡的阈值条件即自激振荡的阈值条件