激光器的工作原理讲解

1、激光器的工作原理讲解激光器的工作原理讲解第1页二.光腔 开放式共轴球面光学谐振腔组成1.组成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、个别反)。 激光器的工作原理讲解第2页2. 开放式: 除二镜外其余个别开放 共轴: 二镜共轴 球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)分类:光腔 (光腔中存在着伴轴模,它可在腔内屡次传输而不逸出腔外)(伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高几何光学损耗) (几何光学损耗介乎上二者之间)激光器的工作原理讲解第3页2.1.1共轴球面谐振腔稳定性条件 一.光腔稳定条件: 1.描述光腔稳定性g参量,定义: 其中 L - 腔长(二反

2、射镜之间距离) , L0 ; Ri - 第i面反射镜曲率半径(i = 1,2);符号规则: 凹面向着腔内时(凹镜) Ri0 , 凸面向着腔内时(凸镜) Ri0。 L对于平面镜，成像公式为: s物距s象距f 透镜焦距激光器的工作原理讲解第4页 (2)据稳定条件数学形式, 稳定腔: 非稳腔: 或 临界腔: 或 g1 g2=0 2.光腔稳定条件: (1)条件:使傍轴模(即近轴光线)在腔内往返无限屡次不逸 出腔外条件, 即近轴光线几何光学损耗为零, 其 数学表示式为激光器的工作原理讲解第5页2.1.2 共轴球面谐振腔稳定图及其分类 一。常见几类光腔组成: *(以下介绍常见光腔并学习用作 图方法来表示各

3、种谐振腔) 激光器的工作原理讲解第6页(一）稳定腔: 1.双凹稳定腔: 由两个凹面镜组成共轴球面腔为双凹腔。这种腔稳定条件有两种情况。其一为：且证实：R1L 即：0g11 ，同理 0g21 所以：0g1g21其二为： R1L R2L 且 R1+R2L证实：R1L 即 g10激光器的工作原理讲解第7页同理：g20 ，g1g20 ；又 LR1+R2即 g1g21 0 g1g21 假如 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述两种稳定条件能够合并成一个，即： R1=R2=RL/2 激光器的工作原理讲解第8页2.平凹稳定腔: 由一个凹面发射镜和一个平面发射镜组成谐振腔称为平凹腔。其稳定条件为：RL证

4、实： R1L , ; R2, g2= 1激光器的工作原理讲解第9页 3.凹凸稳定腔: 由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成共轴球面腔为凹凸腔.它稳定条件是: R10, R2L , 且 R1+R2L .或者:R2L ,能够证实: 0g1 g21. (方法同上)激光器的工作原理讲解第10页(二).非稳腔 : g1 g21 或 g1 g201. 双凹非稳腔: 由两个凹面镜组成共轴球面腔为双凹非稳腔.这种腔稳定条件有两种情况.其一为: R1L此时所以 g1 g20 激光器的工作原理讲解第11页其二为: R1+R2L能够证实: g1 g21 (证实略)2.平凹非稳腔稳定条件: R1L , R2= 证实

5、: g2=1, g10 g1 g20 激光器的工作原理讲解第12页3.凹凸非稳腔凹凸非稳腔非稳定条件也有两种:其一是: R20, 0R1L能够证实: g1 g20 其二是: R20, R1+R2L能够证实: g1 g21 4.双凸非稳腔 由两个凸面反射镜组成共轴球面腔称为双凸非稳腔. R10, R20 g1 g21激光器的工作原理讲解第13页5.平凸非稳腔 由一个凸面反射镜与平面反射镜组成共轴球面腔称为平凸腔。平凸腔都满足g1 g21 。(三)临界腔: g1 g2 = 0 , g1 g2= 1 临界腔属于一个极限情况,其稳定性视不一样腔而不一样.在谐振理论研究和实际应用中,临界腔含有非常主要意

6、义. 共焦腔焦点在腔内，它是双凹腔共焦腔焦点在腔外，它是凹凸腔激光器的工作原理讲解第14页1.对称共焦腔腔中心是两镜公共焦 点且： R1= R2= R = L=2F F二镜焦距 g1 = g2 = 0 g1 g2 = 0能够证实，在对称共焦腔内，任意傍轴光线可往返屡次而不横向逸出，而且经两次往返后即可自行闭合。这称为对称共焦腔中简并光束。整个稳定球面腔模式理论都能够建立在共焦腔振荡理论基础上，所以，对称共焦腔是最主要和最含有代表性一个稳定腔。激光器的工作原理讲解第15页2.半共焦腔由共焦腔任一个凹面反射镜与放在公共 焦点处平面镜组成 R = 2L g1 = 1 , g2 = 1/2 故 g1

7、g2 =1/21 （稳定腔）3.平行平面腔由两个平面反射镜组成共轴谐振腔 R1=R2=，g1=g2=1， g1 g2=1激光器的工作原理讲解第16页4.共心腔 两个球面反射镜曲率中心重合共轴球 面腔 实共心腔双凹腔 g1 0 ，g2 0 虚共心腔凹凸腔 g1 0 ，g2 0 都有 R1+R2= L g1 g2 =1 （临界腔） 光线即有简并，也有非简并激光器的工作原理讲解第17页二.稳定图: 稳定条件图示 1.作用:用图直观地表示稳定条件,判断稳定情况 *(光腔) 2.分区: 图上横轴坐标应为 ,纵轴坐标应为 稳定区: 由 (二直线) g1= 0、g2= 0 和 *(二支双曲线) g1g2 =

8、 1 线所围区域(不含边界) *(图上白色非阴影区) 临界区: 边界限 非稳区: 其余部份 *(阴影区)图(2-2) 共轴球面腔稳定图 *一球面腔(R1 ,R2 , L)对应(g1 ,g2)落在稳定区, 则为稳定腔 *一球面腔(R1 ,R2 , L)对应(g1 ,g2)落在临界区(边界限), 则为临界腔 *一球面腔(R1 ,R2 , L)对应(g1 ,g2)落在非稳区(阴影区), 则为非稳腔 激光器的工作原理讲解第18页3.利用稳定条件可将球面腔分类以下: 双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，对应图中l、2、3和4区. (0g11 ，0g21 ; g10, g20)平凹稳定腔，由一个平面镜和一个凹面

9、镜组成，对应图中AC、AD段（0g11 ,g2=1; 0g21,g21,g11)共焦腔，R1R2L，因而，g1=0，g2=0，对应图中坐标原点。 半共焦腔，由一个平面镜和一个R=2L凹面镜组成腔,对应图中E和F点g1=1，g2=1/2 (1) 稳定腔 (0g1 g2 1)(2) 临界腔 :g1 g2 = 0 , g1 g2= 1平行平面腔，对应图中A点。只有与腔轴平行光线才能在腔内往返g1=1，g2=1共心腔， 满足条件R1R2L，对应图中第一象限g1g21双曲线。 半共心腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中C点和D点。 g1=1，g2=0 (3) 非稳腔 :g1 g21 或 g1 g2

10、0对应图中阴影个别光学谐振腔都是非稳腔。 图(2-2) 共轴球面腔稳定图激光器的工作原理讲解第19页1平行平面腔2半共焦腔3半共心腔4对称共焦腔5对称共心腔稳区图激光器的工作原理讲解第20页2.1.3 稳定图应用 一.制作一个腔长为L对称稳定腔，反射镜曲率半径取值范围怎样确定？ 因为对称稳定腔有: R1= R2= R即: g1 = g2 所以对称稳定腔区域在稳定图A、B连线上.图(2-2) 共轴球面腔稳定图所以,反射镜曲率半径取值范围:最大曲率半径R1= R2 是平行平面腔;最小曲率半径R1= R2 是共心腔A点: g1 = g2 1 R1= R2B点: g1 = g2 - 1 R1= R2激

11、光器的工作原理讲解第21页 二.给定稳定腔一块反射镜，要选配另一块反射镜曲率半径，其取值范围怎样确定? 图(2-2) 共轴球面腔稳定图比如: R1 = 2L 则 g1 =0.5在稳定图上找到C点,连接CD两点,线段CD就是另外一块反射镜曲率半径取值范围.激光器的工作原理讲解第22页 三.假如已经有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长范围怎样确定？ 图(2-2) 共轴球面腔稳定图令k =R2/R1 例k =2 得直线方程在稳定范围内做直线AE、DF，在AE段可得 0LR1同理：在DF段可得 2R1L3R1激光器的工作原理讲解第23页 例: 某稳定腔两面反射镜曲率半径分别R1=-1m 及 R2=1.5m 。(1)这是哪一类型谐振腔? (2)试确定腔长L可能取值范围, 并作出谐振腔简单示意图。(3)请作稳定图并指出它在图中可能位置范围。解.(1)R10 (凸镜)而R20 (凹镜)且稳定, 是凹凸稳定腔。(2)稳定腔应满足激光器的工作原理讲解第24页（A）先考虑(A)式左边不等号即 时