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激光原理第講1第1頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1.4光的自激振蕩
一.自激振蕩的概念二.自激振蕩的條件說(shuō)明:光放大與光的自激振蕩既不同,又有聯(lián)系。2第2頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月激活介質(zhì)中增益和損耗兩種過(guò)程的共同作用與激光振蕩的建立、激光功率以及激光脈寬等的變化規(guī)律等方面密切相關(guān)。一.自激振蕩的概念1.自激振蕩:不管初始光強(qiáng)I0多么微弱,只要工作物質(zhì)足夠長(zhǎng),通過(guò)增益飽和總能形成確定大小的光強(qiáng)。光通過(guò)單位距離后光強(qiáng)衰減的百分比3.同時(shí)考慮增益和損耗以后2.損耗系數(shù):3第3頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4.自激振蕩過(guò)程的建立設(shè):增益介質(zhì)無(wú)限長(zhǎng),增益與損耗并存
激光器是否振蕩與初始光強(qiáng)無(wú)關(guān)介質(zhì)飽和增益和損耗的平衡決定了激光工作物質(zhì)的最后輸出功率4第4頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月5.
求極值光強(qiáng)Im
根據(jù)時(shí)I(z)=Im
5第5頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際中,使激光器工作物質(zhì)足夠長(zhǎng)是不現(xiàn)實(shí)的!結(jié)論:①極值光強(qiáng)Im只與放大器本身參數(shù)有關(guān),與初始光強(qiáng)I0無(wú)關(guān)。②起振的初始光強(qiáng)I0來(lái)自于自發(fā)輻射。③當(dāng)工作物質(zhì)足夠長(zhǎng)時(shí),不管I0多么弱,總能形成穩(wěn)定的光強(qiáng)Im輸出,成為一個(gè)自激振蕩器。6第6頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月6.光諧振腔(1)定義:在有一定長(zhǎng)度的光放大器兩端放置兩個(gè)反射鏡形成光諧振腔。(2)光諧振腔的作用②提供光的正反饋,實(shí)現(xiàn)光的受激輻射放大。①選擇激光模式,提高激光的相干性光波模在兩反射鏡間往返傳播時(shí),非軸向光波模被衰減消失,而軸向光波模被有效放大最后輸出。光波模在兩反射鏡間往返傳播,等效于增加放大器長(zhǎng)度,光諧振腔的這種作用也稱為光的反饋。注:當(dāng)介質(zhì)的增益很大時(shí),不加諧振腔,也可形成激光。7第7頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二.自激振蕩的條件——閾值條件1.形式一—激光振蕩條件當(dāng)時(shí),稱為閾值振蕩情況。此時(shí),腔內(nèi)光強(qiáng)維持在I0的極其微弱的水平上。2.形式二其中,為平均單程損耗。L為腔長(zhǎng),l為工作物質(zhì)長(zhǎng)度。為單程小信號(hào)增益。8第8頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月注意:激光器的幾乎一切特性(例如輸出功率、單色性、方向性等)以及對(duì)激光器采取的許多技術(shù)措施(例如穩(wěn)頻、選模、調(diào)Q、鎖模等)都與增益和損耗特性有關(guān)。因此,工作物質(zhì)的增益特性和光腔的損耗特性是掌握激光基本原理的線索。9第9頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1.5激光的特性一.激光的特性二.激光的模式三.激光的空間相干性和方向性四.激光的時(shí)間相干性和單色性五.激光的高亮度10第10頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月一.激光的特性高的單色性、高的相干性、高的方向性、高亮度高的光子簡(jiǎn)并度11第11頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二.激光的模式1.縱模:光腔模式的縱向(腔軸方向或傳播方向的)的光場(chǎng)分布。3.激光模式的表示:m、n分別表示x和y方向或輻角和徑向方向上光場(chǎng)通過(guò)零次的次數(shù)。q為整數(shù),表示軸向駐波的波節(jié)數(shù)目。2.橫模:垂直于光傳播方向的橫截面內(nèi)的光場(chǎng)分布?;鶛M模12第12頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三.激光的空間相干性和方向性1.方向性的描述:光束發(fā)散角發(fā)散角越小,光束方向性越好。2.方向性與空間相干性的關(guān)系:方向性越好,空間相干性越好。3.影響激光空間相干性和方向性的因素(1)模式的影響②工作在單橫模,方向性好,其同一模式內(nèi)的光波場(chǎng)是空間相干的;工作在多橫模,方向性差,且不同模式內(nèi)的光波場(chǎng)是空間非相干的。①基橫模TEM00的發(fā)散角小,方向性好。高次橫模的發(fā)散角大,方向性差。13第13頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(2)工作物質(zhì)的均勻程度、光腔類型、腔長(zhǎng)、激勵(lì)方式、激光器的工作狀態(tài)的影響(3)光衍射效應(yīng)的影響激光所能達(dá)到的最小光束發(fā)散角不能小于激光通過(guò)輸出孔徑時(shí)的衍射極限角。2a:光腔輸出孔徑(4)受激光器類型的影響氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器激光方向性依次變差!14第14頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月5.提高激光空間相干性和方向性的方法⑴控制激光器工作在單橫基模⑵提高工作物質(zhì)均勻性、增加腔長(zhǎng)等。4.激光的空間相干性和方向性對(duì)激光聚焦的影響空間相干性和方向性越好,則越易被聚焦成小的光斑,形成高能量密度。15第15頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月四.激光的時(shí)間相干性和單色性2.時(shí)間相干性和單色性的關(guān)系:1.單色性描述:線寬3.單色性、時(shí)間相干性與激光模式的關(guān)系(1)對(duì)單橫模TEM00工作的激光器,激光的單色性取決于縱模結(jié)構(gòu)和模式的頻帶寬度,縱模數(shù)越少,單模線寬越窄,則單色性和時(shí)間相干性越好。(2)多縱模工作時(shí),單色性差。16第16頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(3)單縱模工作時(shí),單色性好,單色性的好壞與一系列的不穩(wěn)定性因素有關(guān),即取決于縱模頻率的穩(wěn)定性或動(dòng)態(tài)單縱模特性。(4)提高激光時(shí)間相干性和單色性的根本措施控制激光器工作在單縱模,且采取穩(wěn)頻措施。17第17頁(yè),課件共18頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月五.激光的高亮度激光具有極高的單色亮度!光源的單色亮度(
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