第2部分-(IV)-激光器的工作特性.ppt

1、,激光的基本原理及特性,第二部分 激光器的 工作特性,四、激光器的基本工作特性 （一）、連續(xù)激光器的穩(wěn)態(tài)工作特性 1、幾個(gè)基本概念 （1）、光譜線加寬 自發(fā)輻射光譜不是單一的， 而是分布在中心頻率: 附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。 （2）、均勻加寬, ,0,E E,h,2,1,自然加寬 N 碰撞加寬 C 晶格震動(dòng)加寬,均勻加寬引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都等同,每個(gè)發(fā)光原子都按整個(gè)線型發(fā)光,激光的基本原理及特性,（3）、非均勻加寬 多普勒加寬 晶格缺陷加寬,均勻加寬,非均勻加寬,譜線加寬,He-Ne,CO2,10,10-3 10-2,N(MHz),C(MHz),D,D(MHz),100 - 300

2、,1500,60,P(充氣壓力)大,C大,非均勻加寬：每一個(gè)發(fā)光粒子所發(fā)的光只對(duì)譜線內(nèi)的某些確定的頻率 才有貢獻(xiàn)。在非均勻加寬中，各種不同的粒子對(duì)g(n)中 的不同頻率有貢獻(xiàn)。,第二部分 激光器的 工作特性,激光的基本原理及特性,（4）、增益系數(shù),z,z+dz,I(z),I(z+dz),I0,z,z,I,z,z+dz,I,I+dI,I = I0eG Z,0,光的增益系數(shù)G：光通過(guò)單位長(zhǎng)度的 激活物質(zhì)后光強(qiáng)增加的百分?jǐn)?shù)， 其單位為：厘米1, 增益曲線 g (n) 增益系數(shù)g(n,I)相對(duì)于頻率的分布 問(wèn)題的提出： 外來(lái)光不是單一頻率，有一定的頻率分布,增益寬度 Dn 最大增益的一半處 所對(duì)應(yīng)的頻

3、率寬度,公式定義：,第二部分 激光器的 工作特性,激光的基本原理及特性,損耗系數(shù) a 負(fù)增益系數(shù),定義公式,g 已知 w(z), R(z) w0 , z,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,3. 高斯光束的q參數(shù),1/ q(z),q 參數(shù),(高斯光束的復(fù)曲率半徑),q 參數(shù)物理意義：同時(shí)反映光斑尺寸及波面曲率半徑隨z的變化,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,若已知高斯光束某一位置的q參數(shù) w(z), R(z), ,q 參數(shù)表征高斯光束的優(yōu)點(diǎn): 將描述高斯光束的兩個(gè)參數(shù)W(z)和R(z)統(tǒng)一在一個(gè)表達(dá)式中, 便于研究高斯光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的傳輸規(guī)律 高斯光束三種描述方法的比較,光腰處

4、（z0）,0,在空間傳輸后,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,二）、高斯光束通過(guò)光學(xué)元件的變換ABCD公式,1.自由空間,2.薄透鏡(透鏡焦距為F）,球面波,球面波,發(fā)散(+) 會(huì)聚(-),l1,l2,R1,R2,S1,S2,物距 像距 焦距,近軸情況,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,3. 光學(xué)系統(tǒng)傳輸矩陣為 的光學(xué)系統(tǒng),球面波,高斯光束 q參數(shù)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的變換與球面波R的變換相同,ABCD公式,R1,R2,1,2,近軸光 , q1=q2,自由空間,透鏡,球面波 高斯光束,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,三）、q參數(shù)分析高斯光束傳輸實(shí)例 (通過(guò)透鏡的變換),已知：

5、w0, l, F 求：通過(guò)透鏡后，高斯光束 參數(shù)wc, Rc,方法:由ABCD公式 qB,z=0 q0= if f = w02/ A處 qA = q0+ l B處 1/qB = 1/qA- 1/F C處 qc= qB+ lc,關(guān)鍵,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,=-l,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,討論: 高斯光束成象與幾何光學(xué)成象規(guī)律的比較 1. l F 即有 ( l - F )2f 2 和幾何光學(xué)成象規(guī)律相同,腰斑放大率,2. l = F 時(shí),和幾何光學(xué)成象規(guī)律不同,幾何光學(xué): l=F l= (平行光) 無(wú)實(shí)象有虛象,=D,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,

6、第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,要獲得良好的聚焦效果： 使用短焦距透鏡 (使FF ) 雙透鏡聚焦,F 一定時(shí),第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,五）、高斯光束的準(zhǔn)直改善方向性，壓縮發(fā)散角, 單透鏡準(zhǔn)直效果,高斯光束通過(guò)薄透鏡 當(dāng)l = F 時(shí) , w0 = F/ w0 最大, F , 長(zhǎng)焦距透鏡利于準(zhǔn)直 w0 盡可能小, 要使 大,發(fā)散角,有限，無(wú)論l，F(xiàn)取何值都不可能使 說(shuō)明用單透鏡 不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,準(zhǔn)直倍率(發(fā)散角壓縮比),短焦距透鏡聚焦, 使w0 ， 并聚在長(zhǎng)焦距透鏡焦點(diǎn)上 長(zhǎng)焦距透鏡使 F ,光腰幾乎?落在焦平面上, 組成一倒裝望遠(yuǎn)鏡,望遠(yuǎn)鏡放大倍率M, 利用倒裝望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直,D,L1,L2,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性,六）、高斯光束的模匹配,模匹配問(wèn)題的提出： 使一個(gè)激光諧振腔振蕩的單模高斯光束注入到另一個(gè)諧振腔內(nèi)能激發(fā)出相同的模式。 問(wèn)題實(shí)質(zhì)透鏡變換,第二部分 高斯光束,激光的基本原理及特性, 情況1：已知w0, w0, 確定透鏡焦距F及透鏡的距離 l, l,同乘,代入(2-10-18),(2-10-18),若F 確定