长沙理工大学：《光电子学》课程教学资源（课件讲稿）第三章 激光振荡与工作特性

第三章 激光振荡与工作特性 3.1激光产生的基本原理和方法 3.2光学谐振腔 3.3激光产生的阈值条件 3.4激光的纵模与频率特性 3.5激光的横模和高斯光束 3.6连续激光器的输出功率与最佳透过率

1 第三章 激光振荡与工作特性 激光振荡与工作特性 3.1 激光产生的基本原理和方法 3.2 光学谐振腔 3.3 激光产生的阈值条件 3.4 激光的纵模与频率特性 3.5 激光的横模和高斯光束 3.6 连续激光器的输出功率与最佳透过率

3.1激光产生的基本原理和方法 方向性好 单色性好 高亮度 对光源的要求： 1960年1月18日，美国加利福尼 亚休斯研究所，西奥多梅曼用 一个红宝石棒研制出了世界上第 一台红宝石激光器。 2

2 1960年1月18日，美国加利福尼 亚休斯研究所，西奥多·梅曼用 一个红宝石棒研制出了世界上第 一台红宝石激光器。 方向性好 单色性好 高亮度 对光源的要求： 3.1 激光产生的基本原理和方法

3.1激光产生的基本原理和方法 激光的舞台装饰效果图 3

3 激光的舞台装饰效果图 3.1 激光产生的基本原理和方法

激光产生的基本原理 受激辐射光放大 E2 Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) E 前提：粒子数反转分布 (激励、抽运或泵浦) E E, E E, 4

4 E1 E2 一 激光产生的基本原理 受激辐射光放大 E1 E2 hv hv hv E1 E2 E1 E2 E1 E2 E1 E2 前提：粒子数反转分布 （激励、抽运或泵浦） Laser（light amplification by stimulated emission of radiation)

二光的自激振荡 I(x dl(x)=G(I)-aI(x)dx ↓ I(x)=Io exp(G°-a) 0 Go G(I)=a 1.=G-a 0 “自激振荡” 增益饱和与自激振荡 5

5 二 光的自激振荡 增益饱和与自激振荡 = [ − α ] )()()( dxxIIGxdI exp()( ) 0 = 0 GIxI − α ( ) α α s m I GI −= 0 “自激振荡 ” x 0 I(x) x 0 G G 0 α I m IG )( = α

三激光的特性 1.时间相干性与单色性 时间相干性：在空间同一点，两个不同时刻到达的光场之间的相干程度。 度量：相干时间T △y 2.空间相干性与方向性 空间相干性：同一时刻垂直于光传播方向的截面上两个不同点处光场 之间的相干程度。 度量：相干面积A.或相干体积V。 2R2 22R2c A △A △A,△V 6

6 三 激光的特性 1. 时间相干性与单色性 时间相干性：在空间同一点，两个不同时刻到达的光场之间的相干程度。 Δv = 1 τ 空间相干性：同一时刻垂直于光传播方向的截面上两个不同点处光场 之间的相干程度。 2.空间相干性与方向性 s c A R A Δ ≈ 22 λ v c A R V s c ΔΔ = 22 λ 度量：相干时间 τ 度量：相干面积 或相干体积 Ac Vc

四激光器的构造 1.激光工作物质 激活粒子：形成粒子数反转的发光粒子 基质：为激活粒子提供寄存场所的材料 2.泵浦源 对激光工作物质进行激励， 全反镜 泵浦源 半反镜 形成粒子数反转。 激光 3.光学谐振腔 物园 >实现光放大 谐振腔 >改善输出激光的质量 激光器的基本组成 7

7 四 激光器的构造 1. 激光工作物质 激活粒子：形成粒子数反转的发光粒子 基质：为激活粒子提供寄存场所的材料 2. 泵浦源 对激光工作物质进行激励， 形成粒子数反转。 3. 光学谐振腔 ¾ 实现光放大 ¾ 改善输出激光的质量 工作物质 全反镜 泵浦源 半反镜 激光 谐振腔 激光器的基本组成

五激光粒子的能级系统 1.三能级系统 受激辐射 非辐射 乙◆ 亚稳态 浦 E2 赢 E2 受激辐射 非辐射 基态 基态 E E ()红宝石激光器： Cr离子 (b)气体激光器：Ar离子 两种三能级示意图 8

8 五 激光粒子的能级系统 1.三能级系统 两种三能级示意图 (a) 红宝石激光器：Cr离子 (b) 气体激光器： Ar离子 泵 浦 非辐射 受激辐射 基态 亚稳态 E1 E 2 E 3 受激辐射 非辐射 E 2 E1 泵 浦 基态 E 3

五激光粒子的能级系统 2.四能级系统 E4 受激辐射 亚稳态 非辐射 乙◆ E3 泵 受激辐射 赢 非辐射 E2 非辐射 非辐射 E 基态 E 基态 (a)钕玻璃激光器：Nd3+ (b):氖原子、C02 两种四能级示意图 9

两种四能级示意图 9 (a) 钕玻璃激光器 : Nd3+ (b): 氖原子、CO2 泵 浦 非辐射 受激辐射 基态 亚稳态 E1 E2 E3 非辐射 E4 泵 浦 非辐射 受激辐射 E 基态 1 E2 E3 非辐射 E4 五 激光粒子的能级系统 2.四能级系统

3.2光学谐振腔 谐振腔作用 1.提供光学正反馈作用 2.产生对振荡光束的控制作用 >有效控制腔内实际振荡的模式数目，提高光子简并度，获得 单色性好、方向性强的相干光 >直接控制激光束的横向分布特性 >改变腔内光束的损耗，控制激光束输出功率 10

10 3.2 光学谐振腔 一、谐振腔作用 1. 提供光学正反馈作用 2. 产生对振荡光束的控制作用 ¾ 有效控制腔内实际振荡的模式数目，提高光子简并度，获得 单色性好、方向性强的相干光 ¾ 直接控制激光束的横向分布特性 ¾ 改变腔内光束的损耗，控制激光束输出功率