激光的产生与激光的性质.pptVIP

激光阈值振荡条件将 代入上式得：光学谐振腔的频响曲线的半宽：当腔内介质的指数增益系数与损耗平衡时，得激光阈值振荡条件： （3.2.10）（3.2.11）（3.2.12）第26页，共68页，星期日，2025年，2月5日三能级与四能级系统四能级系统吸收带为E3，基态为E0，激光生于E2→E1。它的优点在于按玻尔兹曼分布律，在E1-E0较大时，n1基本上是空态。因此，要实现n2n1是相当容易的。可实现连续波输出。三能级系统E1是基态，所以n1是一个大数。只有将n1的50%以上泵浦到 n2才能实现n2n1的。三能级系统一般只产生脉冲激光。三能级系统四能级系统第27页，共68页，星期日，2025年，2月5日激光泵浦技术非平衡态过程 在平衡态下，原子能级的粒子数密度按玻尔兹曼分布律。必然，上能级的粒子数密度低于下能级的。因此，要达到产生激光的必要条件-----粒子数反转，就必须采用泵浦技术来打破平衡状态，达到上能级粒子数密度超过下能级。所以，激光是一个非平衡态过程。泵浦的两种主要方式 (1)光泵浦激光介质吸收外部泵浦光的能量，达到粒子数反转。 (2)电泵浦I.气体激光器——在高电场作用下，高速的电子碰撞 原子使气体离化而激发，达到粒子数反转。 II.半导体激光器——在正向注入下，使导带充满电子， 价带充满空穴，当电子与空穴复合时,发出激光。关于泵浦技术请参看有关激光参考书。第28页，共68页，星期日，2025年，2月5日激光泵浦技术---聚光腔圆形球形聚光腔，腔体内表抛光并镀金。早期的红宝石固体激光器(第一个激光器)就是采用球形聚光腔。在球体内两共轭的位置分别放置泵浦灯和激光棒。第29页，共68页，星期日，2025年，2月5日激光泵浦技术---聚光腔椭圆形椭圆柱形聚光腔内腔壁抛光并镀金在椭圆的两个焦点位置分别放置泵灯和激光棒，因此泵灯发出的光线全部聚焦于激光棒上。第30页，共68页，星期日，2025年，2月5日Fabry-Perot(平-平)激光腔激光谐振腔激光谐振腔与微波腔不同，它是开放腔。开腔(如F-P腔)的目的是为了大大的减少腔模。F-P腔中只有与腔镜垂直的少数横模能够存在。形成驻波的条件是腔长必须等于半波长的整数倍，即，其中m是一个正整数。所以(两边同乘以k) 或谐振频率ν为： d平面波在腔内往返一次所产生的相移必须等于2π的整数倍条件得第31页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔相位延迟光在平面镜之间来回反射，要获得透射光线A1,A2之间光程的相位延迟首先，分析A1,A2之间的光程差。A1,A2之间的光程差为：因此，相位差为：(θ是光线在折射率n的介质中的内入射角）ndDFn*AD=n’*CF（3.4.2）第32页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔透射波的复振幅r为反射系数，t为透射系数，r,t对应于光线从n’到n，r’、t’对应于光线从n到n’。各透射波有：对所有的透射波的振幅A相加，总透射波的复振幅为：对括号内的无限级数求和：推导上式时利用了（3.4.5）第33页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔反射波的复振幅对无穷级数求和得（3.4.3）（3.4.5）第34页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔透射光强表示为：(不考虑系统损耗时R+T=1)反射光强的表达式 （3.4.7）（3.4.8）第35页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔F-P谐振腔的透射与反射曲线反射曲线第36页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔纵模间隔---自由光谱区 当 ，(m为正整数），透射率就等于1。因此，利用此关系式可求出透射率为极大时的光频率，则相邻透射峰之间的光频差： 在光学中Δν称为自由光谱区。半导体激光器一般用F-P腔作为激光谐振腔,这种器件称为半导体激光二极管(F-PLD)。就是正入射时，用F-P腔作激光谐振腔的纵模间隔。（3.4.9）第37页，共68页，星期日，2025年，2月5日F-P谐振腔F-P谐振腔的谱线宽度和精细度 谱线宽度