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1、激光原理第讲激光原理第讲1本讲稿第一页，共十八页1.4 1.4 光的自激振荡光的自激振荡 一一.自激振荡的概念自激振荡的概念二二.自激振荡的条件自激振荡的条件说明：光放大与光的自激振荡既不同，又有联系。说明：光放大与光的自激振荡既不同，又有联系。2本讲稿第二页，共十八页激活介质中激活介质中增益增益和和损耗损耗两种过程的共同作用与激光振两种过程的共同作用与激光振荡的建立、激光功率以及激光脉宽等的变化规律等方荡的建立、激光功率以及激光脉宽等的变化规律等方面密切相关。面密切相关。一一.自激振荡的概念自激振荡的概念1.1.自激振荡自激振荡:不管初始光强不管初始光强I I0 0多么微弱多么微弱多么微弱多
2、么微弱,只要工作物质足够长只要工作物质足够长只要工作物质足够长只要工作物质足够长,通过增益饱和总能形成确定大小的光强通过增益饱和总能形成确定大小的光强通过增益饱和总能形成确定大小的光强通过增益饱和总能形成确定大小的光强 。光通过单位距离后光强衰减的百分比光通过单位距离后光强衰减的百分比3.3.同时考虑增益和损耗以后同时考虑增益和损耗以后2.2.损耗系数损耗系数 ：3本讲稿第三页，共十八页4.4.自激振荡过程的建立自激振荡过程的建立设设:增益介质无限长增益介质无限长,增增增增益与损耗并存益与损耗并存益与损耗并存益与损耗并存 激光器是否振荡与初始光强无关激光器是否振荡与初始光强无关 介质饱和增益和
3、损耗的平衡决定了激介质饱和增益和损耗的平衡决定了激介质饱和增益和损耗的平衡决定了激介质饱和增益和损耗的平衡决定了激光工作物质的最后输出功率光工作物质的最后输出功率光工作物质的最后输出功率光工作物质的最后输出功率4本讲稿第四页，共十八页5.求极值光强求极值光强 Im 根据根据时时 I(z)=Im 5本讲稿第五页，共十八页实际中，使激光器工作物质足够长是不现实的！实际中，使激光器工作物质足够长是不现实的！结论结论：极值光强极值光强Im 只与放大器本身参数有关只与放大器本身参数有关,与初始光与初始光强强I0 无关。无关。起振的起振的初始光强初始光强I0来自于自发辐射。来自于自发辐射。当工作物质足够长
4、时当工作物质足够长时,不管不管I0多么弱，总能形成稳多么弱，总能形成稳定的光强定的光强Im输出，成为一个自激振荡器。输出，成为一个自激振荡器。6本讲稿第六页，共十八页6.6.光谐振腔光谐振腔(1)(1)(1)(1)定义：在有一定长度的光放大器两端放置两个定义：在有一定长度的光放大器两端放置两个反射镜形成光谐振腔。反射镜形成光谐振腔。(2)(2)(2)(2)光谐振腔的作用光谐振腔的作用提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大。选择激光模式，提高激光的相干性选择激光模式，提高激光的相干性选择激光
5、模式，提高激光的相干性选择激光模式，提高激光的相干性光波模在两反射镜间往返传播时光波模在两反射镜间往返传播时光波模在两反射镜间往返传播时光波模在两反射镜间往返传播时,非轴向光波模被衰减消失非轴向光波模被衰减消失非轴向光波模被衰减消失非轴向光波模被衰减消失,而而而而轴向光波模被有效放大最后输出。轴向光波模被有效放大最后输出。轴向光波模被有效放大最后输出。轴向光波模被有效放大最后输出。光波模在两反射镜间往返传播光波模在两反射镜间往返传播光波模在两反射镜间往返传播光波模在两反射镜间往返传播,等效于增加放大器长度等效于增加放大器长度等效于增加放大器长度等效于增加放大器长度,光谐振腔的这光谐振腔的这光谐
6、振腔的这光谐振腔的这种作用也称为光的反馈。种作用也称为光的反馈。种作用也称为光的反馈。种作用也称为光的反馈。注：当介质的增益很大时，不加谐振腔，也可形成激光。注：当介质的增益很大时，不加谐振腔，也可形成激光。注：当介质的增益很大时，不加谐振腔，也可形成激光。注：当介质的增益很大时，不加谐振腔，也可形成激光。7本讲稿第七页，共十八页二二.自激振荡的条件自激振荡的条件阈值条件阈值条件1.1.形式一形式一激光振荡条件激光振荡条件当当 时时,称为阈值振荡情况。此时，腔内光强维称为阈值振荡情况。此时，腔内光强维持在持在I I0 0的极其微弱的水平上。的极其微弱的水平上。的极其微弱的水平上。的极其微弱的水
7、平上。2.2.形式二形式二形式二形式二其中，其中，其中，其中，为平均单程损耗。为平均单程损耗。为平均单程损耗。为平均单程损耗。L为腔长，为腔长，为腔长，为腔长，l为工作物为工作物为工作物为工作物质长度。质长度。质长度。质长度。为单程小信号增益。为单程小信号增益。为单程小信号增益。为单程小信号增益。8本讲稿第八页，共十八页注意：激光器的几乎一切特性注意：激光器的几乎一切特性(例如输出功率、单色例如输出功率、单色性、方向性等性、方向性等)以及对激光器采取的许多技术措施以及对激光器采取的许多技术措施(例例如稳频、选模、调如稳频、选模、调Q Q、锁模等、锁模等)都与都与增益增益和和损耗损耗特性有特性有
8、关。因此，工作物质的增益特性和光腔的损耗特性关。因此，工作物质的增益特性和光腔的损耗特性是掌握激光基本原理的线索。是掌握激光基本原理的线索。9本讲稿第九页，共十八页1.5 1.5 激光的特性激光的特性一一.激光的特性激光的特性二二.激光的模式激光的模式三三.激光的空间相干性和方向性激光的空间相干性和方向性四四.激光的时间相干性和单色性激光的时间相干性和单色性五五.激光的高亮度激光的高亮度10本讲稿第十页，共十八页一一.激光的特性激光的特性高的单色性、高的相干性、高的方向性、高亮度高的单色性、高的相干性、高的方向性、高亮度高的光子简并度高的光子简并度11本讲稿第十一页，共十八页二二.激光的模式激
9、光的模式1.1.1.1.纵模纵模纵模纵模:光腔模式的纵向光腔模式的纵向光腔模式的纵向光腔模式的纵向(腔轴方向或传播方向的腔轴方向或传播方向的腔轴方向或传播方向的腔轴方向或传播方向的)的光场的光场分布。分布。3.3.3.3.激光模式的表示激光模式的表示:m、n分别表示分别表示x x x x和和和和y y y y方向或辐角和径向方向或辐角和径向方向上光场通过零次的次数。方向上光场通过零次的次数。q q为整数，为整数，表示轴向驻波的波节数目。表示轴向驻波的波节数目。2.2.2.2.横模横模横模横模:垂直于光传播方向的横截面内的光场分布。垂直于光传播方向的横截面内的光场分布。垂直于光传播方向的横截面内
10、的光场分布。垂直于光传播方向的横截面内的光场分布。基横模基横模12本讲稿第十二页，共十八页三三.激光的空间相干性和方向性激光的空间相干性和方向性1.1.方向性的描述方向性的描述:光束发散角光束发散角发散角发散角发散角发散角 越小，光束方向性越好。越小，光束方向性越好。越小，光束方向性越好。越小，光束方向性越好。2.2.方向性与空间相干性的关系方向性与空间相干性的关系方向性与空间相干性的关系方向性与空间相干性的关系:方向性越好，空间相干性越好。方向性越好，空间相干性越好。3.3.影响激光空间相干性和方向性的因素影响激光空间相干性和方向性的因素(1)(1)模式的影响模式的影响工作在单横模，方向性好
11、，其同一模式内的光波场是空间工作在单横模，方向性好，其同一模式内的光波场是空间工作在单横模，方向性好，其同一模式内的光波场是空间工作在单横模，方向性好，其同一模式内的光波场是空间相干的；工作在多横模，方向性差，且不同模式内的光波场相干的；工作在多横模，方向性差，且不同模式内的光波场相干的；工作在多横模，方向性差，且不同模式内的光波场相干的；工作在多横模，方向性差，且不同模式内的光波场是空间非相干的。是空间非相干的。是空间非相干的。是空间非相干的。基横模基横模基横模基横模TEM00的发散角小，方向性好。高次横模的发散角大，的发散角小，方向性好。高次横模的发散角大，的发散角小，方向性好。高次横模的
12、发散角大，的发散角小，方向性好。高次横模的发散角大，方向性差。方向性差。方向性差。方向性差。13本讲稿第十三页，共十八页(2)(2)工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方式、工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方式、激光器的工作状态的影响激光器的工作状态的影响(3)(3)光衍射效应的影响光衍射效应的影响光衍射效应的影响光衍射效应的影响激光所能达到的最小光束发散角不能小于激光通过输出激光所能达到的最小光束发散角不能小于激光通过输出激光所能达到的最小光束发散角不能小于激光通过输出激光所能达到的最小光束发散角不能小于激光通过输出孔径时的衍射极限角。孔径时的衍射极限角。孔径时的衍射极限角。孔径
13、时的衍射极限角。2a：光腔输出孔径光腔输出孔径(4)(4)受激光器类型的影响受激光器类型的影响气体气体激光器激光器固体固体激光器激光器半导体半导体激光器激光器激光方向性依次变差！激光方向性依次变差！14本讲稿第十四页，共十八页5.5.提高激光空间相干性和方向性的方法提高激光空间相干性和方向性的方法提高激光空间相干性和方向性的方法提高激光空间相干性和方向性的方法控制控制激光器工作在单横基模激光器工作在单横基模提高工作物质均匀性、增加腔长等。提高工作物质均匀性、增加腔长等。4.4.激光的空间相干性和方向性对激光聚焦的影响激光的空间相干性和方向性对激光聚焦的影响空间相干性和方向性越好，则越易被聚焦成
14、小的光斑，空间相干性和方向性越好，则越易被聚焦成小的光斑，形成高能量密度。形成高能量密度。15本讲稿第十五页，共十八页四四.激光的时间相干性和单色性激光的时间相干性和单色性2.2.2.2.时间相干性和单色性的关系时间相干性和单色性的关系:1.1.1.1.单色性描述单色性描述:线宽线宽 3.3.单色性、时间相干性与激光模式的关系单色性、时间相干性与激光模式的关系(1)(1)(1)(1)对单横模对单横模TEM00工作的激光器，激光的工作的激光器，激光的单色性取决单色性取决于纵模结构和模式的频带宽度，纵模数越少，单模线宽于纵模结构和模式的频带宽度，纵模数越少，单模线宽越窄，则单色性和时间相干性越好。
15、越窄，则单色性和时间相干性越好。(2)(2)多纵模工作时，单色性差。多纵模工作时，单色性差。16本讲稿第十六页，共十八页(3)(3)(3)(3)单纵模工作时，单色性好，单色性的好坏与一系列单纵模工作时，单色性好，单色性的好坏与一系列单纵模工作时，单色性好，单色性的好坏与一系列单纵模工作时，单色性好，单色性的好坏与一系列的不稳定性因素有关，即取决于纵模频率的稳定性或的不稳定性因素有关，即取决于纵模频率的稳定性或的不稳定性因素有关，即取决于纵模频率的稳定性或的不稳定性因素有关，即取决于纵模频率的稳定性或动态单纵模特性。动态单纵模特性。动态单纵模特性。动态单纵模特性。(4)(4)提高激光时间相干性和
16、单色性的根本措施提高激光时间相干性和单色性的根本措施控制激光器工作在单纵模，且采取稳频措施。控制激光器工作在单纵模，且采取稳频措施。控制激光器工作在单纵模，且采取稳频措施。控制激光器工作在单纵模，且采取稳频措施。17本讲稿第十七页，共十八页五五.激光的高亮度激光的高亮度激光具有极高的单色亮度！激光具有极高的单色亮度！激光具有极高的单色亮度！激光具有极高的单色亮度！光源的单色亮度光源的单色亮度光源的单色亮度光源的单色亮度(即单位截面、单位频带宽度和单位立即单位截面、单位频带宽度和单位立即单位截面、单位频带宽度和单位立即单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率体角内发射的光功率体角内发射的光功率体角内发射的光功率)其中：其中：其中：其中：为光源截面积，为光源截面积，为光源截面积，为光源截面积，为激光线宽，为激光线宽，为激光线宽，为激光线宽，为基模远场为基模远场为基模远场为基模远场发散角。发散角。发散角。发散角。理由：理由：理由：理由：由上式知，光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光由上式知，光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光由上式知，光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光由上式知，光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光具有极高的光子简并度。具有极高的光子简并度。具有极高的光子简并度。具有极高的光子简并度。18本讲稿第十八页，共十八页