激光器的工作原理

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1、激光器的工作原理激光的基本原理及特性激光产生的基本原理（一）、激光的形成及产生的基本条件1、粒子数反转分布EE玻尔兹曼分布反转分布E2E2E1E2n2eKTE1nE1nn3n2n11n1n2n3单位时间内STE增加的光子数密度wnBn212212单位时间内STA减少的光子数密度w12n1B12n1f2nn21正常分布受激吸收占主导光衰减，吸收f1fn2n反转分布受激辐射占主导光放大有增益21f1NN121增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，

2、下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。第二部分激光产生的基本原理2.激光器的基本结构w21nwn1STE光子集中在几个模式A2121轴向模非轴向模技术思想的重大突破－F-P光谐振腔•开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加,其它（非轴向）模式数逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。•工作物质,光学谐振腔,激励能源是一般激光器的三个基本部分。3、激光产生的基本条件及激光形成过程1、实现粒子数反转（粒子数反常分布）基本条件：2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗）阈值：产生激光所要需的最低能量激光形成过程：泵浦（抽运）粒子

3、数反转受激放大振荡放大达到阈值激光输出•粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件•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•激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学、核光学谐振腔及激光的模式光腔的构成及稳定条件光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择腔的构成与分类h1h2h2

4、学正反馈:建立和维持自激振荡。(提高简并度)决定因素:由两镜的反射率、几何形状及组合形式。2.控制光束特性:包括纵模数目、横模、损耗、输出功率等。二.光腔——开放式共轴球面光学谐振腔的构成1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。球面R2共轴共轴R1球面R1R2球面共轴R1球面R2共轴R12.开放式:除二镜外其余部分开放共轴:二镜共轴球面腔:二镜都是球面反射镜(球面镜)三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:稳定腔(光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外)光腔临界腔(几何光学损耗介乎上二者之间)非稳腔(伴轴模在

5、腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的几何光学损耗)共轴球面谐振腔的稳定性条件一.光腔稳定条件:球面1.描述光腔稳定性的g参量,定义:共轴LLg1g1R112R2RR12L其中L----腔长(二反射镜之间的距离),L＞0;Ri----第i面的反射镜曲率半径(i=1,2);符号规则:凹面向着腔内时(凹镜)Ri＞0,凸面向着腔内时(凸镜)Ri＜0。对于平面镜，R,fs——物距111成像公式为:s´——象距ssff——透镜焦距2.光腔的稳定条件:(1)条件:使傍轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸出腔外的条件,即近轴光线几

6、何光学损耗为零,其数学表达式为0gg112(2)据稳定条件的数学形式,稳定腔:0g1g21非稳腔:g1g21或g1g20临界腔:g1g21或g1g2=0共轴球面谐振腔的稳定图及其分类一。常见的几类光腔的构成:*(以下介绍常见光腔并学习用作图方法来表示各种谐振腔)LL(RL)(RL)gg(1)(1)1212RRRR1212(一）稳定腔:0gg1121.双凹稳定腔:由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹腔。这种腔的稳定条件有两种情况。R1R2其一为：RL且R2L1LL证明：∵R＞L∴0＜＜11R1L0＜1＜1即：0＜g＜

7、1，同理0＜g＜R1211R1R2所以：0＜gg＜112其二为：R＜LR＜L且R+R＞L1212LL证明：∵R1＜L∴1＜0即g1＜0R1同理：g2＜0，∴g1g2＞0；又∵L＜R1+R22LRR12∴＜L或RRRR12122LLRRL12（1）（1）1L＜1RRRRRR121212即gg＜10＜gg＜11212如果R1=R2，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳定条件可以合并成一个，即：R1=R2=R＞L/22.平凹稳定腔:由一个凹面反射镜和一个平面反射镜组成的谐振腔称为平凹腔。其稳定条件为：R＞LRLL证明：∵R1＞L,g11

8、R;R2∞,g2=11L∴0＜g1＜1故有0＜gg＜1112R13.凹凸稳定腔:由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成