光学课程教学电子教案激光的产生与激光器.pptVIP

§8.2 激光的产生与激光器 主要内容 本节重点 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 1. 激光器的基本结构 2. 激光介质中粒子数布居反转的实现 3. 增益系数及阈值条件 4. 辐射线宽 5. 激光的纵模和横模 6. 几种典型的激光器 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8.2.1 激光器的基本结构 实现激光发射的两个必备条件：受激辐射的产生和放大。 激光器：能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。 激光振荡器：具有一个光学谐振腔，由受激辐射产生的光在腔内多次往返而形成持续的激光振荡。 激光放大器：自身不具有光学谐振腔，只能使来自其他激光器输出的激光信号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大。 说明：通常的激光器，一般指激光振荡器，在某些情况下则是指由激光振荡器和放大器组成的组合系统。 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 增益介质 激励源 光学谐振腔 说明：仅有激励源、增益介质和光学谐振腔还不一定能输出激光。只有使受激辐射的增益大于其损耗，才能使受激辐射在谐振腔内来回反射时，强度不断增大，最后输出激光。 图8.2-1 激光器的基本结构 激励源 光学谐振腔 增益介质 激光输出 激光振荡器的主要组成： 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 增益介质：激光器中产生受激辐射的物质（又称激活介质，可以是气体、液体、固体或半导体等）。 增益介质的作用：激光器的核心——放大入射光。 增益介质条件：有一对能够产生激光的能级，并且高能级应有足够长的寿命，使得被激发到该能级上的粒子能滞留较长时间，与低能级之间形成粒子数布居的反转分布。 (1) 增益介质 激励源的作用：供给增益介质能量，以使其中处于基态的粒子获得一定能量后被抽运到高能态，形成两个能级上的粒子数布居反转。 8.2.1 激光器的基本结构 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 说明：激励过程常被形象化地称为泵浦或抽运过程。为了不断地得到激光输出，必须不断地“泵浦”增益介质以维持其粒子数布居的反转分布。 常用激励方式：电泵浦、光泵浦、热泵浦、化学泵浦等。 电激励：用气体放电的方法获得具有一定动能的电子，再由其进一步激发介质原子。 光激励：用强光照射增益介质（常用光激励源：脉冲氙灯、脉冲激光器、半导体激光器等）。 (2) 激励源 光学谐振腔：装上在增益介质两端的一对反射率很高的反射镜，结构相当于一个法布里-珀罗标准具。其中一个为全反射镜，反射率接近100%；另一个为部分反射镜，反射率约80%左右。 8.2.1 激光器的基本结构 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 (3) 光学谐振腔 光学谐振腔的作用： ① 实现光的正反馈 ② 对输出光束的波长进行选择——高度单色性 ③ 使输出光束的定向——高度方向性 8.2.1 激光器的基本结构 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 图8.2-2 光学谐振腔对激光束方向的选择 当增益介质产生的受激辐射到达两端的反射镜面时，将被再次反射回增益介质，从而继续诱发新的受激辐射。被进一步放大的受激辐射在谐振腔中来回振荡，同时不断地诱发新的受激辐射，使之雪崩似地获得放大，产生强烈的激光，并从部分反射镜一端输出。 工作原理： 二能级系统的不足： 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8.2.2 激光介质中粒子数布居反转的实现 图8.2-3 激光增益介质的两种工作模式 (a) 三能级图 抽运 E3 E1 hn 激励 E2 无辐射跃迁 B21 B12 A21 (b) 四能级图 E0 抽运 E3 E1 hn 激励 E2 无辐射跃迁 B21 B12 A21 由于B12=B21，最终只能达到两个能级的粒子数相等而使系统趋于稳定，不能实现两个能级之间的粒子数布居反转。 激光增益介质的两种实际工作模式： 8.2.2 粒子数部居反转的实现 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 三能级系统的特点： 四能级系统的特点： 粒子被从基态E0抽运到激发态E3，然后通过无辐射跃迁到亚稳态E2。当E1为非稳态能级时，粒子经受激辐射从E2能级跃迁到E1能级后，会很快通过无辐射跃迁回到基态，极易实现E2和E1之间粒子数布居反转。 粒子被从基态E1抽运到激发态E3，然后从E3态无辐射跃迁到亚稳态E2。随着E1上的粒子数不断减少，E2上的粒子数N2不断增多。当N2N1时，实现粒子数布居反转。 (8.2-1) (8.2-2) 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8.2.3 增益系数及阈值条件 光束在谐振腔内往返一次后的强度： (8.2-3) 设激光器的增益系数为G，谐振腔腔长为L，两个反射镜的强度反射率分别为R1、R2 ，光束的初始强度（z=0处）为I0 。 增益介质中z处的光强