授课教案 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 虽然爱因斯坦在1917年就预言了受激辐射的存在,但在一般热平衡情况下, 物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖,因此未能在实验中证实。1960年第 台红宝石激光器问世,标志者激光技术的诞生。激光的出现是对传统光源的一次 革命。激光相对于普通光源的特点:单色性、方向性和高亮度。 一、激光产生的基本原理 受激辐射光放大:受激辐射跃迁过程中,一个诱发光子可以使处在上能 级的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子,这两个光子又可以去 诱发其它发光粒子,从而产生更多状态相同的光子。这样在一个入射光子作 用下,可引起大量发光粒子产生受激辐射,并产生大量运动状态相同的光子 的现象称为受激辐射光放大。 粒子数反转:采用光照、放电等方法从外界不断向发光物质输入能量, 把处于下能级的发光粒子激发到上能级去(该过程称为激励、抽运或泵浦) 使上能级的粒子数密度大于下能级的粒子数密度,该状态称为粒子数反转。 (必要条件) 二、光的自激振荡 光在放大的同时存在损耗,同时考虑放大与损耗因素有: dl(x)=G()-a l(x)dx (3.1) 假设一极其微弱的光强1,进入一无限长放大器,初始按小信号放大规律增长: I(x)=1 exp(G-a) (3.2) 随着光强的增加增益出现饱和,光强的增长变缓。当G()=α时,光强不再增加 并达到一稳定的极限值1.: 人-6-哈 (33) 1只与放大器本身参数有关,而与初始光强1。无关。不论1。多微弱,只要放大 器足够长,就成形成确定大小的I,即自激振荡的概念。 实际应用中,通过在一定长度的光放大介质两端放置光学谐振腔,利用谐振 腔光反馈功能增加放大器的长度:光强1。由腔内微弱的、沿轴向传播的自发辐射
授课教案 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 虽然爱因斯坦在 1917 年就预言了受激辐射的存在,但在一般热平衡情况下, 物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖,因此未能在实验中证实。1960 年第一 台红宝石激光器问世,标志着激光技术的诞生。激光的出现是对传统光源的一次 革命。激光相对于普通光源的特点:单色性、方向性和高亮度。 一、激光产生的基本原理 受激辐射光放大:受激辐射跃迁过程中,一个诱发光子可以使处在上能 级的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子,这两个光子又可以去 诱发其它发光粒子,从而产生更多状态相同的光子。这样在一个入射光子作 用下,可引起大量发光粒子产生受激辐射,并产生大量运动状态相同的光子 的现象称为受激辐射光放大。 粒子数反转:采用光照、放电等方法从外界不断向发光物质输入能量, 把处于下能级的发光粒子激发到上能级去(该过程称为激励、抽运或泵浦), 使上能级的粒子数密度大于下能级的粒子数密度,该状态称为粒子数反转。 (必要条件) 二、光的自激振荡 光在放大的同时存在损耗,同时考虑放大与损耗因素有: = [ −α] )()()( dxxIIGxdI (3.1) 假设一极其微弱的光强 进入一无限长放大器,初始按小信号放大规律增长: 0 I exp()( ) 0 = 0 GIxI −α (3.2) 随着光强的增加增益出现饱和,光强的增长变缓。当 IG )( = α 时,光强不再增加 并达到一稳定的极限值 :mI ( )α α s m I GI −= 0 (3.3) mI 只与放大器本身参数有关,而与初始光强 无关。不论 多微弱,只要放大 器足够长,就成形成确定大小的 ,即自激振荡的概念。 0 I 0 I mI 实际应用中,通过在一定长度的光放大介质两端放置光学谐振腔,利用谐振 腔光反馈功能增加放大器的长度;光强 由腔内微弱的、沿轴向传播的自发辐射 0 I 1
授误教案 第三章激光振荡与工作特性 光提供,它经过多次受激辐射放大就能在轴向产生光的自激振荡,即成为激光器。 I(x) 图3.1增益饱和与自激振荡 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(1和1,)达到的光场之间的相干 程度,用“相干时间x”度量。 相干时间与光谱宽度的关系:t=△ 2.空间相干性与方向性 空间相干性:同一时刻空间两个不同点处光场之间的相干程度,严格讲是垂直 于光传播方向截面上的空间相干性,用“相干面积A”或“相干 体积V”度量。 作干面现4:设:相肝体北-纸 四、激光器构造 1.激光工作物质 为了形成稳定的激光,首先必须要有能够形成粒子数反转的发光粒子,称之 为激活粒子。它们可以是分子、原子或离子。这些激活粒子有些可以独立存在, 有些则必须附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质,它们可 以是固体或是液体。基质与激活粒子统称为激光工作物质。 2.泵浦源 为了形成粒子数反转,需要对激光工作物质进行激励,完成这一任务的是泵
授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 光提供,它经过多次受激辐射放大就能在轴向产生光的自激振荡,即成为激光器。 图 3.1 增益饱和与自激振荡 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( 和 )达到的光场之间的相干 程度,用“相干时间 1t 2t τ ”度量。 相干时间与光谱宽度的关系: Δv = 1 τ 。 2. 空间相干性与方向性 空间相干性:同一时刻空间两个不同点处光场之间的相干程度,严格讲是垂直 于光传播方向截面上的空间相干性,用“相干面积 ”或“相干 体积 ”度量。 Ac Vc 相干面积: s c A R A Δ ≈ 22 λ ;相干体积: v c A R V s c ΔΔ = 22 λ 。 四、激光器构造 1. 激光工作物质 为了形成稳定的激光,首先必须要有能够形成粒子数反转的发光粒子,称之 为激活粒子。它们可以是分子、原子或离子。这些激活粒子有些可以独立存在, 有些则必须附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质,它们可 以是固体或是液体。基质与激活粒子统称为激光工作物质。 2. 泵浦源 为了形成粒子数反转,需要对激光工作物质进行激励,完成这一任务的是泵 2
授课教案 第三章激光振荡与工作特性 浦源。不同的激光工作物质往往采用不同的泵浦源。例如固体激光器一般是采用 普通光源(如Xe氙灯)作泵浦源,对激光工作物质进行照射,因此又称光泵。 对于气体激光工作物质,常常是将它们密封在细玻璃管内,两端加电压,通过放 电的方法来进行激励。 3.光学谐振腔 仅使激光工作物质处于粒子数反转状态,虽可获得激光,但寿命很短,强 度也不会太高,并且光波模式多,方向性很差。这样的激光没有什么应用价值。 为了得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光输出,激光器还必须有一个光学 谐振腔。它是由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成,一个是全反射镜 另一个作为输出镜用,是部分反射和部分透射的半反射镜, 光学谐振腔的主要作用: >光在粒子数反转的激光工作物质中传播时得到放大,由于有光学谐振腔的存 在,一方面在它提供光学正反馈作用下,腔内光子数因不断往返通过激光工 作物质而被放大:另一方面由于谐振腔存在各种损耗(如输出损耗、衍射损 耗、吸收与散射损耗等),腔内光子数又不断减少。当放大与衰减相互抵消 时,就可以形成稳定的振荡,输出功率稳定的激光。 >改善输出激光的质量 由于激光束的特性与谐振腔的结构有着不可分割的联系,因此可以通过改 变谐振腔参数的方法达到控制光束特性的目的,如提高激光的方向性、单色 性和输出功率等。 半反镜 泵浦源 全反镜 激光 物质。 谐振腔 图32激光器的基本组成 五、激光粒子的能级系统 常用激光器的激活粒子能级系统大致可分为两大类:三能级系统和四能级 系统。 1.三能级系统
授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 浦源。不同的激光工作物质往往采用不同的泵浦源。例如固体激光器一般是采用 普通光源(如 Xe 氙灯)作泵浦源,对激光工作物质进行照射,因此又称光泵。 对于气体激光工作物质,常常是将它们密封在细玻璃管内,两端加电压,通过放 电的方法来进行激励。 3. 光学谐振腔 仅使激光工作物质处于粒子数反转状态,虽可获得激光,但寿命很短,强 度也不会太高,并且光波模式多,方向性很差。这样的激光没有什么应用价值。 为了得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光输出,激光器还必须有一个光学 谐振腔。它是由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成,一个是全反射镜, 另一个作为输出镜用,是部分反射和部分透射的半反射镜。 光学谐振腔的主要作用: ¾ 光在粒子数反转的激光工作物质中传播时得到放大,由于有光学谐振腔的存 在,一方面在它提供光学正反馈作用下,腔内光子数因不断往返通过激光工 作物质而被放大;另一方面由于谐振腔存在各种损耗(如输出损耗、衍射损 耗、吸收与散射损耗等),腔内光子数又不断减少。当放大与衰减相互抵消 时,就可以形成稳定的振荡,输出功率稳定的激光。 ¾ 改善输出激光的质量 由于激光束的特性与谐振腔的结构有着不可分割的联系,因此可以通过改 变谐振腔参数的方法达到控制光束特性的目的,如提高激光的方向性、单色 性和输出功率等。 图 3.2 激光器的基本组成 五、激光粒子的能级系统 常用激光器的激活粒子能级系统大致可分为两大类:三能级系统和四能级 系统。 1. 三能级系统 3
授误教案」 第三章激光振荡与工作特性 图3.3(a):固体激光器中的红宝石激光器激活粒子一铬离子 图3.3(b):气体激光器中的氩离子激光器的激活粒子—氩离子 E 非辐射 受激辐射 亚稳态 E2 受激辐射 非辐射 基态 基态 (@)激光下能级为基态的三能级系统 ()激光下能级不是基态的三能级系统 图3.3两种三能级示意图 2.四能级系统 图3.4(a):固体激光器中的钕玻璃激光器及掺钕钇铝石榴石激光器中的激活粒 子一Nd离子 图3.4(b:气体激光器中的氯氖激光器的激活粒子一氖原子 二氧化碳激光器中的激活粒子—二氧化碳分子 E 受激辐射 非辐 可亚稳态 2 受激辐射 非辐身 非辐 基态 E. 基态 非辐射 ()激光下能级与基态能级间无中间能级(b)激光下能级与基态能级间有一个中间能级 图3.4两种四能级系统的示意图 §3-2光学谐振腔 一、谐振腔作用 1.提供光学正反馈作用 影响因素:组成腔的两个反射镜面的反射率(反射率越大,反馈能力越强) 反射镜的几何形状及组合方式 2.产生对振荡光束的控制作用
授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 图 3.3(a) :固体激光器中的红宝石激光器激活粒子——铬离子 图 3.3 (b):气体激光器中的氩离子激光器的激活粒子——氩离子 (a) 激光下能级为基态的三能级系统 (b) 激光下能级不是基态的三能级系统 图 3.3 两种三能级示意图 2. 四能级系统 图 3.4(a) :固体激光器中的钕玻璃激光器及掺钕钇铝石榴石激光器中的激活粒 子——Nd3+离子 图 3.4 (b):气体激光器中的氦氖激光器的激活粒子——氖原子 二氧化碳激光器中的激活粒子——二氧化碳分子 (a) 激光下能级与基态能级间无中间能级 (b) 激光下能级与基态能级间有一个中间能级 图 3.4 两种四能级系统的示意图 §3-2 光学谐振腔 一、谐振腔作用 1. 提供光学正反馈作用 影响因素:组成腔的两个反射镜面的反射率(反射率越大,反馈能力越强) 反射镜的几何形状及组合方式 2. 产生对振荡光束的控制作用 4
授课教案 第三章激光振荡与工作特性 主要表现为对光束方向和频率的限制。 A.有效控制腔内实际振荡的模式数目,使大量光子集中在少数几个状态 中,提高光子简并度,获得单色性好、方向性强的相干光。 B.直接控制激光束的横向分布特性,如光斑大小、振荡频率、光束发散 角等。 C.改变腔内光束的损耗,在增益一定的条件下,控制激光束输出功率。 二、谐振腔的种类 1.平行平面镜腔 图35平行平面镜 2.凹面反射镜腔 〖-I 图3.6凹面反射镜脑 (1)共焦腔:两镜焦点在腔内重合,两镜曲率半径R等于两镜距离L。 图3.7共焦腔 (2)共心腔:两镜曲率中心重合在一点。 图3.8共心腔 (3)非共焦腔 〖】【〗丹丹 图3.9几种非共焦腔 3.平面凹面镜腔(平凹腔)
授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 主要表现为对光束方向和频率的限制。 A. 有效控制腔内实际振荡的模式数目,使大量光子集中在少数几个状态 中,提高光子简并度,获得单色性好、方向性强的相干光。 B. 直接控制激光束的横向分布特性,如光斑大小、振荡频率、光束发散 角等。 C. 改变腔内光束的损耗,在增益一定的条件下,控制激光束输出功率。 二、谐振腔的种类 1. 平行平面镜腔 图 3.5 平行平面镜腔 2. 凹面反射镜腔 图 3.6 凹面反射镜腔 (1)共焦腔:两镜焦点在腔内重合,两镜曲率半径 R 等于两镜距离 L。 图 3.7 共焦腔 (2)共心腔:两镜曲率中心重合在一点。 图 3.8 共心腔 (3)非共焦腔 图 3.9 几种非共焦腔 3. 平面凹面镜腔(平凹腔) 5