当前位置:高等教育资讯网  >  中国高校课件下载中心  >  大学文库  >  浏览文档

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

资源类别:文库,文档格式:PDF,文档大小:557.06KB,文档页数:19,团购合买
点击下载完整版文档(PDF)

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

授教案 第三章激光振荡与工作特性 01 图3.10平面凹面镜腔 (1)半共焦腔:两镜距离等于凹面镜曲率半径之半。 眼1刀 图3.11半共焦腔 (2)非共焦平凹 丹〗1刀 图3.12两种非共焦平凹腔 此外还有平凸腔、凹凸腔、双凸腔等特殊谐振腔结构。 三、谐振腔的稳定条件 1.稳定腔与不稳定腔 不稳定腔:光线在腔中来回多次反射后最终跑出腔外的谐振腔。 应用:大功率激光器。 稳定腔:光线在腔中来回多次反射后最终可以被束缚在腔体内传播。 应用:中、小功率激光器。 0【个 1313西不定时

授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 图 3.10 平面凹面镜腔 (1) 半共焦腔:两镜距离等于凹面镜曲率半径之半。 图 3.11 半共焦腔 (2) 非共焦平凹腔 图 3.12 两种非共焦平凹腔 此外还有平凸腔、凹凸腔、双凸腔等特殊谐振腔结构。 三、谐振腔的稳定条件 1. 稳定腔与不稳定腔 不稳定腔:光线在腔中来回多次反射后最终跑出腔外的谐振腔。 应用:大功率激光器。 稳定腔:光线在腔中来回多次反射后最终可以被束缚在腔体内传播。 应用:中、小功率激光器。 图 3.13 两种不稳定腔 6

授课教案 第三章激光振荡与工作特性 (c) 图3.14几种稳定腔结构 2.腔的稳定条件 光学谐振腔的稳定条件: -}0 (3.4) 令g,=1-(叫R)82=1-(叫R),上式可写为: 1>g82>0 (3.5) 图3.15稳定条件示意图 3.非稳腔的特点 (1)具有较大的模体积。 模体积:谐振腔中激光束传播过程中所占有的激活介质的体积

授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 图 3.14 几种稳定腔结构 2. 腔的稳定条件 光学谐振腔的稳定条件: 0111 1 2 >⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −> R L R L (3.4) 令 ( ) ( 1 21 2 −= 1,1 −= RLgRLg ),上式可写为: gg 21 >> 01 (3.5) 图 3.15 稳定条件示意图 3. 非稳腔的特点 (1)具有较大的模体积。 模体积:谐振腔中激光束传播过程中所占有的激活介质的体积。 7

授课教案 第三章激光振荡与工作特性 (2)较好的选模能力。 (3)能实现光束的侧向耦合输出。 §3-3激光产生的阈值条件 一、阙值条件 仅考虑镜面反射损耗时激光形成所需满足的阀值条件: exp(2GL)>1 (3.6) o exp(2GL I。exp(GL) exp(2GL aI.exp(GL) 】 图3.16阈值条件的推导 二、激光器的损耗 工作物质内部介质内部不均匀性 光吸收效应 损耗来源 光束透射 反射镜面吸收和散射 衍射 定义α为总损耗系数(等于单位距离内光强损耗率),则形成激光需满足的条件: Gza (3.7) 增益阙值G,:G=aα时所对应的增益数值。 注:G,越小,越容易形成激光。 §3-4激光的纵模与频率特性 模式的含义: (1)亥姆霍兹方程的一个特解,满足波导中心有界、边界趋于无穷时为零等边 界条件。(数学含义) (2)光场沿横截面分布的一种场图。(物理含义)

授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 (2)较好的选模能力。 (3)能实现光束的侧向耦合输出。 §3-3 激光产生的阈值条件 一、阈值条件 仅考虑镜面反射损耗时激光形成所需满足的阈值条件: 1)2exp( 21 GLrr > (3.6) 图 3.16 阈值条件的推导 二、激光器的损耗 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 衍射 吸收和散射 光束透射 反射镜面 光吸收效应 介质内部不均匀性 工作物质内部 损耗来源 定义α 为总损耗系数(等于单位距离内光强损耗率),则形成激光需满足的条件: G ≥ α (3.7) 增益阈值 :Gt G = α 时所对应的增益数值。 注:Gt 越小,越容易形成激光。 §3-4 激光的纵模与频率特性 模式的含义: (1)亥姆霍兹方程的一个特解,满足波导中心有界、边界趋于无穷时为零等边 界条件。(数学含义) (2)光场沿横截面分布的一种场图。(物理含义) 8

授课教案 第三章激光振荡与工作特性 纵模:由整数g所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光器的纵模。不同纵模对 应不同的g值,也就对应不同的频率。 横模:表示垂直于谐振腔方向上的光场的分布。 一、纵模 相长干涉形成激光的条件: -22-22L=92ge012 (3.8) q:纵向驻波波节数,即腔轴线上零场强的数目。 谐振频率: (3.9 图3.17谐振腔内稳定的驻波场 纵模间隔:相邻纵模频率之差△v Av2L (3.10) 影响纵模个数的因素: (1)激光工作物质发射谱的线型函数。 (2)腔体增益和损耗的关系

授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 纵模:由整数 所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光器的纵模。不同纵模对 应不同的q 值,也就对应不同的频率。 q 横模:表示垂直于谐振腔方向上的光场的分布。 一、纵模 相长干涉形成激光的条件: )2,1,0(22 2 2 2 0 qqLL ∈⋅=⋅=⋅=Δ K q π λ π η λ π φ (3.8) q :纵向驻波波节数,即腔轴线上零场强的数目。 谐振频率: L c qvq 2η ⋅= (3.9) 图 3.17 谐振腔内稳定的驻波场 纵模间隔:相邻纵模频率之差Δv L c v 2η =Δ (3.10) 影响纵模个数的因素: (1) 激光工作物质发射谱的线型函数。 (2) 腔体增益和损耗的关系。 9

授教案 第三章激光振荡与工作特性 gg叶"n"-"gng'g'g*yg3 'q3'q-2'grl'q'q+1'qt2'g+3 图3.18纵模个数与g()的关系 影响激光器工作频率v的因素:介质折射率?及腔长L。 跳模:激光器输出的光频率降至一定程度后又突变回原来的位置。 例:气体激光器中的频率漂移现象 g(v) —T 图3.19气体激光器中频率漂移导致的跳模现象示意图(T>T,>T) 二、实现稳定状态的条件 初始时刻,G>G,=α时,只要增益增益系数属于小信号增益范围,光强不 断增加:当光强增大到一定程度,出现增益饱和现象,增益系数下降,光强增大 的幅度变小:当G下降到G=G,=α时,光强不再增加并达到一稳定的极限值 1,G也不再下降,即达到稳定状态。 0

授课教案 第三章 激光振荡与工作特性 图 3.18 纵模个数与 的关系 vg )( 影响激光器工作频率v 的因素:介质折射率η 及腔长 L 。 跳模:激光器输出的光频率降至一定程度后又突变回原来的位置。 例:气体激光器中的频率漂移现象 图 3.19 气体激光器中频率漂移导致的跳模现象示意图( >> TTT 123 ) 二、 实现稳定状态的条件 初始时刻, GG t => α 时,只要增益增益系数属于小信号增益范围,光强不 断增加;当光强增大到一定程度,出现增益饱和现象,增益系数下降,光强增大 的幅度变小;当G 下降到 = GG t = α 时,光强不再增加并达到一稳定的极限值 I m ,G 也不再下降,即达到稳定状态。 10

点击下载完整版文档(PDF)VIP每日下载上限内不扣除下载券和下载次数;
按次数下载不扣除下载券;
24小时内重复下载只扣除一次;
顺序:VIP每日次数-->可用次数-->下载券;
共19页,试读已结束,阅读完整版请下载
相关文档

关于我们|帮助中心|下载说明|相关软件|意见反馈|联系我们

Copyright © 2008-现在 cucdc.com 高等教育资讯网 版权所有