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1、激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性第二部分激光产生的基本原理三、激光产生的基本原理三、激光产生的基本原理（一）、激光的形成及产生的基本条件（一）、激光的形成及产生的基本条件1、粒子数反转分布、粒子数反转分布反转分布EE1E2n1n2n3En玻尔兹曼分布E1E2n1n2n3单位时间内STE增加的光子数密度单位时间内STA减少的光子数密度激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 N2 N1增益介质：增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，为实
2、现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性2、激光器的基本结构、激光器的基本结构STE光子集中在几个模式 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 工作物质, 光学谐振腔, 激励能源是一般激光器的三个基本部分。轴向模非轴向模技术思想的重大突破 F-P 光谐振腔第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性3、激光产生的基本条
3、件及激光形成过程、激光产生的基本条件及激光形成过程基本条件：基本条件：1、实现粒子数反转（粒子数反常分布）2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗）激光形成过程：激光形成过程：泵浦（抽运）粒子数反转受激放大振荡放大达到阈值激光输出阈值：阈值：产生激光所要需的最低能量 粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件 依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡， 实现粒子数反转 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一 光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核 第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性（二）、光学谐振腔及激光的模式（二）、光学谐振腔
4、及激光的模式1、光腔的构成及稳定条件、光腔的构成及稳定条件 光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择另：折叠腔、环形腔、复合腔 复合腔腔内加入其它光学元件，如透镜，FP标准具等 (a) (a) 闭腔闭腔 (b) (b) 开腔开腔 (c) (c) 气体波导腔气体波导腔 腔的构成与分类腔的构成与分类123半导体激光器半导体激光器介质波导腔介质波导腔2 0; 凸面镜 R L， L，或者R 1 L， R 2 L腔的模体积大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。（4）、平凹腔：）、平凹腔：当 L R/2 时为半共焦腔，一般也常用于中小功率激光器。第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激
5、光的基本原理及特性2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式、激光器中常用光学谐振腔的结构形式（5 5）、实共心腔：）、实共心腔： R R 1 对称共心腔： 12（6 6）、虚共焦腔：）、虚共焦腔： R /2 R /2 L， 12R 1R 2 L/2非稳腔的特点: 具有较大的模体积 具有较好的选模能力 能实现光束的侧向耦合输出第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性3、谐振腔的纵模及驻波条件、谐振腔的纵模及驻波条件（1)1)、 模式表示方法及模式特征参数模式表示方法及模式特征参数 TEMmnqTransverse Electromagnetic wave m, n 横模指数
6、 ； q 纵模指数 模式主要特征： * 场分布，谐振频率，往返损耗，发散角 沿光轴方向（纵向）场分布 E(z) 纵模纵模场分布场分布垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)横模横模（2 2）、）、 纵模纵模 （干涉仪理论） 具有相同的纵向场分布的模式第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性L 驻波场分布 纵模间隔 不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布 纵模序数q 对应驻波场波节个数，q 很大，不计L （3）、）、驻波条件驻波条件（相长干涉条件相长干涉条件）模谱第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性4、横模及横模的形成、横模及横模的形成横模横模
7、相同的横向场分布的模式（不同光斑花样）（2）旋转对称旋转对称 TEMmn m暗直径数；n暗环数(半径方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x, y 轴对称轴对称 TEMmn mX向暗区数 nY向暗区数TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31 基基( (横横) )模模 TEM00 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布氏窗、 反射镜等）会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性开腔模式形成的定性解释开腔模式形成的定性解释 横模产生的原因第二部分激光产生的基本原理
