《激光原理》課件：laser1-4

1、第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生激光器的基本思想 封閉腔中光子簡(jiǎn)并度 極低 開(kāi)腔中的激活介質(zhì)能對(duì)光進(jìn)行受激輻射放大（而不是受激吸收）。21213212138BWEnhhh mAAc n 開(kāi)腔能夠提高光子簡(jiǎn)并度 （通過(guò)腔對(duì)光波模式進(jìn)行選擇）第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生1 1、受激輻射占優(yōu)勢(shì)的條件、受激輻射占優(yōu)勢(shì)的條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布布12nn 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱(chēng)為增益（或激活）介質(zhì)增益（或激活）介質(zhì)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的前提條

2、件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的前提條件。 如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？211212ffennKTEEBolzman分布反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)分布12nn En1n2n3n1E2E3E 只有依靠外界向物質(zhì)提供能量（泵浦或稱(chēng)激勵(lì)）才只有依靠外界向物質(zhì)提供能量（泵浦或稱(chēng)激勵(lì)）才能打破熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。能打破熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 受激輻射占主導(dǎo) 光放大第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生2 2、激活介質(zhì)對(duì)光的增益與損耗、激活介質(zhì)對(duì)光的增益與損耗增益系數(shù)：增益系數(shù)：描述激光工作物質(zhì)放大特性的參數(shù)。描述激光工作物質(zhì)放大特

3、性的參數(shù)。激活介質(zhì)：指已經(jīng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)。激活介質(zhì)：指已經(jīng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)。定義：光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活介質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。定義：光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活介質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層 1dI zG zdzI z 00G zI zI e當(dāng)當(dāng) 不隨不隨 變化，是常數(shù)時(shí)，有變化，是常數(shù)時(shí)，有：Gz第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生 212121dI zW nW nh dz 2121dI zB hznznzdz 2121G zB hnznzDn(z)21ff 0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層2

4、11221WWB G zn z D凈凈STE光子數(shù)密度光子數(shù)密度 G zn z D證明：證明： 1dI zG zdzI zIc（介質(zhì)的折射率）（介質(zhì)的折射率） 1dI zG zdzI z第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生 損耗系數(shù)損耗系數(shù) a a 激活介質(zhì)中不僅存在增益，還有損耗。激活介質(zhì)中不僅存在增益，還有損耗。損耗系數(shù)單位長(zhǎng)度光強(qiáng)衰減的百分比。（負(fù)增益系數(shù)）損耗系數(shù)單位長(zhǎng)度光強(qiáng)衰減的百分比。（負(fù)增益系數(shù)）G zIdzzdIz1 0zI zI eG & 并存的介質(zhì)中，光強(qiáng)的變化 dI zG zI z dz解微分方程并有 00GzI

5、 zI edz薄層G & 是小信號(hào)增益。是小信號(hào)增益。0G第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生（1 1）平均單程損耗率）平均單程損耗率定義：定義：10II21lnI I0 0：初始光強(qiáng)，：初始光強(qiáng)，I I1 1：往返一周后的光強(qiáng)。：往返一周后的光強(qiáng)。分類(lèi)：分類(lèi)：選擇性損耗：損耗大小與橫模有關(guān)，如衍射損耗；選擇性損耗：損耗大小與橫模有關(guān)，如衍射損耗；非選擇性損耗：損耗大小與橫模無(wú)關(guān)，如輸出損耗。非選擇性損耗：損耗大小與橫模無(wú)關(guān)，如輸出損耗。3 3、無(wú)源腔損耗、無(wú)源腔損耗201eII或或10II21ln2102lneIIln210eII2

6、01eII證：證：第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生計(jì)算：計(jì)算： 衍射損耗：衍射損耗：由于衍射作用反射鏡不能覆蓋衍由于衍射作用反射鏡不能覆蓋衍射光而造成的損耗。射光而造成的損耗。2aLL L：腔長(zhǎng)：腔長(zhǎng), , ：光波長(zhǎng)：光波長(zhǎng), a, a：反射鏡半徑：反射鏡半徑證：證：2a2a2(a+L2(a+L ) ) L L設(shè)初始光強(qiáng)為設(shè)初始光強(qiáng)為I I0 0則單程光強(qiáng)為：則單程光強(qiáng)為：20LaaIIaL2aL12aLaII20lnlnlna22aLa2aL2)0( ,)1 (xxxln第第1 1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.3 1.3 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生輸出損耗：輸出損耗：由于反射鏡透射光而造成的損耗。由于反射鏡透射光而造成的損耗。1 21ln2rr 2Tr r1 1、 r r2 2: :兩反射鏡的反射率兩反射鏡的反射率T:T:半反鏡的透射率半反鏡的透射率（r1=1, T=1-r2 0.05）或或證：證： 設(shè)初始光強(qiáng)為設(shè)初始光強(qiáng)為I I0 ,0 ,則往返一周光強(qiáng)為則往返一周光強(qiáng)為I I1 1=I=I0 0r r1 1r r2 2001 21