《激光原理》課件：1-3

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1 1、受激輻射占優(yōu)勢的條件、受激輻射占優(yōu)勢的條件 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)稱為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱為增益（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（泵浦或稱激勵(lì)）才只有依靠外界向物質(zhì)提供能量（泵浦或稱激勵(lì)）才能打破熱平衡

2、，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)對光的增益與損耗、激活介質(zhì)對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：光通過單位長度激活介質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)。定義：光通過單位長度激活介質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)。0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層 1dI zG zdzI z 00G zIzI e當(dāng)當(dāng) 不隨

3、不隨 變化變化, ,是常是常數(shù)時(shí)，有：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 212121dIzW nW nh dz dzznznzhBzdI1221 2121G zB hnznzDn(z)21ff cI 0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層211221WWB 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 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

4、益，還有損耗。損耗系數(shù)單位長度光強(qiáng)衰減的百分比。（負(fù)增益系數(shù)）損耗系數(shù)單位長度光強(qiáng)衰減的百分比。（負(fù)增益系數(shù)）G zIdzzdIz1 0zIzI eG & 并存的介質(zhì)中，光強(qiáng)的變化 dIzGzIz dz解微分方程并有 00GzIzI edz薄層G & 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：分類：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)，

5、如衍射損耗；非選擇性損耗：損耗大小與橫模無關(guān)，如輸出損耗。非選擇性損耗：損耗大小與橫模無關(guān)，如輸出損耗。3 3、無源腔損耗、無源腔損耗201eII或或10II21ln2102lneIIln210eII201eII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：腔長, , ：光波長：光波長, 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 I

6、0 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 21ln2rr2Tr 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 210 1 2111lnlnln222IIrrII rr T)(121ln當(dāng)T 下能級粒子數(shù)）下能級粒子數(shù)）產(chǎn)生激