光电子技术详解.pptx
《光电子技术详解.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电子技术详解.pptx(49页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、3.3 3.3 激光产生的条件激光产生的条件必要条件:必要条件:粒子数反转分布粒子数反转分布 减少振荡模式数减少振荡模式数充分条件:充分条件:起振条件起振条件 稳定振荡条件稳定振荡条件受激辐射与受激吸收的矛盾受激辐射与受激吸收的矛盾 1)粒子数正常分布:)粒子数正常分布:受激辐射:受激辐射:光子数光子数受激吸收:受激吸收:光子数光子数光强减弱光强减弱 1.粒子数反转分布粒子数反转分布3.3.1 3.3.1 必要条件必要条件受激辐射占优势,光通过工作物质后得到加强,获得光放大。受激辐射占优势,光通过工作物质后得到加强,获得光放大。2 2)粒子数反转分布(集居数反转)粒子数反转分布(集居数反转)激
2、光产生的必要条件之一:激光产生的必要条件之一:粒子数反转粒子数反转 泵浦:泵浦:(抽运、激励)(抽运、激励)激活物质:激活物质:处于集居数反转状态的物质。处于集居数反转状态的物质。另外,还得使受激辐射大大超过自发辐射,使输出为相干光。另外,还得使受激辐射大大超过自发辐射,使输出为相干光。外界向物质提供能量外界向物质提供能量通过中间环节通过中间环节2.2.减少模式振荡数减少模式振荡数激光激光:高能、方向性很好、单色性很好:高能、方向性很好、单色性很好自发发射:自发发射:方向发散,模式多样,方向发散,模式多样,单色亮度难以很强。单色亮度难以很强。解决办法:解决办法:开式光学谐振腔,激活介质开式光学
3、谐振腔,激活介质+平行反射镜。平行反射镜。谐谐振振腔腔轴轴向向光光束束来来回回反反射射,某某一一方方向向得得到到放放大大形形成成激激光光振振荡荡;偏偏轴轴角角较较大大光光束束由由侧侧面面逸逸出出激激活活介介质质,不不能能形形成成激光振荡。激光振荡。满满足足干干涉涉相相长长条条件件的的光光得得到到加加强强,频频率率得得到到筛筛选选模模式数目减少。式数目减少。例:例:T=300K时,时,在热平衡情况下,光波辐射以自发辐射为主。在热平衡情况下,光波辐射以自发辐射为主。(a)(a)激活介质中的光激活介质中的光 (b)(b)谐振腔中光的振荡谐振腔中光的振荡 3.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光
4、产生的充分条件1.1.起振条件起振条件阈值条件阈值条件增益增益:受激放大:受激放大损失损失:镜面透射损失(:镜面透射损失(),镜面和腔内介质存在着吸收、),镜面和腔内介质存在着吸收、散射等,散射等,增益大于损失,光波放大,起振:振荡阈值条件。增益大于损失,光波放大,起振:振荡阈值条件。强度强度 的光射入长的光射入长L L的谐振腔内充满增益系数的谐振腔内充满增益系数 的激活的激活介质,单程介质,单程L L后后谐振腔两镜面反射率谐振腔两镜面反射率 ,,透射率透射率 ,镜面其它损耗,镜面其它损耗 ,则:则:为为单程增益单程增益,即光束经过激活介质一次所得的放大倍数。,即光束经过激活介质一次所得的放大
5、倍数。往返一次光束强度变化过程往返一次光束强度变化过程(忽略反射不完全外的其它损耗)(忽略反射不完全外的其它损耗):光束在腔内往返一次的强度变化光束在腔内往返一次的强度变化 于是于是 ,多次振荡衰减,无法形成激光振荡;,多次振荡衰减,无法形成激光振荡;,光强逐渐加强,形成有效的激光振荡。,光强逐渐加强,形成有效的激光振荡。激光振荡最起码条件:激光振荡最起码条件:增益阈值:增益阈值:产生激光振荡条件:产生激光振荡条件:2.稳定振荡条件稳定振荡条件增益饱和效应增益饱和效应 激光往返经过激活介质,强度随传播距离激光往返经过激活介质,强度随传播距离z的增加呈指数上的增加呈指数上升。升。是否无限制地增大
6、?是否无限制地增大?当入射光强度足够弱时,增益与光强无关,是一个常数;当入射光强度足够弱时,增益与光强无关,是一个常数;当入射光强增加到一定程度时,增益系数当入射光强增加到一定程度时,增益系数 将随光强的将随光强的 增大而减小增大而减小增益饱和效应增益饱和效应-激光器的稳定振荡条件。激光器的稳定振荡条件。增益减小到等于损耗时,就建立了稳态的振荡,形成了增益减小到等于损耗时,就建立了稳态的振荡,形成了稳定的激光输出。稳定的激光输出。1)光谱线均匀加宽时)光谱线均匀加宽时当当I不能忽略时,不能忽略时,的增益:的增益:谱线加宽机制不同,增益饱和规律则不同谱线加宽机制不同,增益饱和规律则不同小信号增益
7、小信号增益 与反转粒子数与反转粒子数成正比成正比 饱和光强饱和光强 与物质性质有关与物质性质有关增益饱和效应:任一频率光强增大使增益曲线均匀下降。增益饱和效应:任一频率光强增大使增益曲线均匀下降。2)非均匀加宽非均匀加宽 当一束频率为当一束频率为 的激光束通过介质时,增益下降也只是对的激光束通过介质时,增益下降也只是对 附附近近的的频频率率而而言言,其其它它部部分分的的增增益益没没有有变变化化,于于是是整整个个增增益益曲曲线在线在 处形成了一个处形成了一个“洞洞”,且光强愈大,洞愈深。,且光强愈大,洞愈深。增益饱和下陷增益饱和下陷 任一频率的光强增大,只对它和附近频率的增益有影响。任一频率的光
8、强增大,只对它和附近频率的增益有影响。3.4 激光器的基本结构及输出激光器的基本结构及输出3.4.1 激光器的基本结构激光器的基本结构激激光光工工作作物物质质提提供供形形成成激激光光的的能能级级结结构构体体系系,激激光光产产生生的内因;的内因;泵浦源泵浦源提供形成激光的能量激励,激光形成的外因提供形成激光的能量激励,激光形成的外因;光光学学谐谐振振腔腔为为激激光光器器提提供供反反馈馈放放大大,提提高高激激光光强强度度、方方向、单色性。向、单色性。1.激光工作物质激光工作物质 原原子子系系统统一一旦旦实实现现了了粒粒子子数数反反转转过过程程,就就变变成成了了增增益益介介质质,对外来的光而言就变成
9、了放大器。对外来的光而言就变成了放大器。要要产产生生激激光光,工工作作物物质质只只有有高高能能态态(激激发发态态)和和低低能能态态(基基态态)不不够够,至至少少需需要要一一个个可可以以使使得得粒粒子子具具有有较较长长停停留留时时间间或或较较小自发辐射几率的能级。小自发辐射几率的能级。亚稳态能级亚稳态能级。激激光光工工作作物物质质应应至至少少具具备备三三个个能能级级。实实际际上上激激光光工工作作物物质质不外乎三能级或四能级结构。不外乎三能级或四能级结构。亚稳态:亚稳态:不如基态稳定,但比激发态要稳定得多(寿命较长)不如基态稳定,但比激发态要稳定得多(寿命较长)具有亚稳态的工作物质,能实现粒子数反
10、转。具有亚稳态的工作物质,能实现粒子数反转。工作物质:气体、固体、液体、半导体等;工作物质:气体、固体、液体、半导体等;原子、分子、离子、准分子发光。原子、分子、离子、准分子发光。(1)三能级系统)三能级系统如:如:受激吸收受激吸收泵浦泵浦无辐射跃迁无辐射跃迁放出能量放出能量(2)四能级系统)四能级系统(a)Nd:YAG激光器激光器EnergyLaser RadiationNFast transitionAbsorptionFast transition(b)氦氖激光器氦氖激光器 四能级系统四能级系统激光下能级激光下能级是激发态,不是基态,粒子数很少是激发态,不是基态,粒子数很少甚至没有,所以
11、很容易实现粒子数反转,泵浦能量较低。甚至没有,所以很容易实现粒子数反转,泵浦能量较低。2.2.泵浦源泵浦源泵泵浦浦:在在外外界界作作用用下下,粒粒子子从从低低能能级级进进入入高高能能级级从从而而实实现现粒粒子数反转分布的过程称为泵浦(激励)。子数反转分布的过程称为泵浦(激励)。泵浦源泵浦源:将粒子从低能态抽运到高能态的装置。:将粒子从低能态抽运到高能态的装置。(1)(1)光激励方式:灯泵浦、光激励方式:灯泵浦、LDLD泵浦、激光泵浦。泵浦、激光泵浦。LDLD端面泵浦固体激光器端面泵浦固体激光器 LD LD泵浦装置简单,泵浦光束与腔模匹配良好,阈值功率泵浦装置简单,泵浦光束与腔模匹配良好,阈值功
12、率低,效率高。低,效率高。激光泵浦液体激光器激光泵浦液体激光器 (2)(2)气气体体辉辉光光放放电电或或高高频频放放电电方方式式:大大多多数数气气体体工工作作物物质质吸吸收收光光谱谱多多在在紫紫外外波波段段,用用光光激激励励技技术术难难度度大大,效效率率低低,故故采采用用气气体体放放电电中中的的快快速速电电子子直直接接轰轰击击或或共共振振能能量量转转移移完完成成粒粒子子数反转。数反转。(3)(3)化化学学反反应应方方式式:通通过过化化学学反反应应释释放放的的能能量量完完成成相相应应粒粒子子数数反转的泵浦方式,化学激光器就是这类泵浦方式。反转的泵浦方式,化学激光器就是这类泵浦方式。泵浦方式因工作
13、物质的能级系统结构而定。泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定。(4)(4)直接电子注入方式:直接电子注入方式:半导体激光器直接电注入就可以完成粒半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转。子数反转。3.3.光学谐振腔光学谐振腔(a a)闭腔;)闭腔;(b b)开腔)开腔 半导体激光器是闭腔;气体激光器是开腔;固体激光器半导体激光器是闭腔;气体激光器是开腔;固体激光器材料长度远小于腔长,可视为开腔。材料长度远小于腔长,可视为开腔。构成:构成:在激活物质两端恰当地放置两个反射镜。在激活物质两端恰当地放置两个反射镜。开腔:开腔:侧面无光学边界侧面无光学边界闭腔:闭腔:固体激光材料,光线在侧壁发生全内
14、反射固体激光材料,光线在侧壁发生全内反射 设激光器腔长设激光器腔长L L,反射镜曲率半径分别为,反射镜曲率半径分别为 ,(凹面(凹面镜镜 ,凸面镜,凸面镜 )。)。(1)(1)稳定腔稳定腔满足下列条件的腔:满足下列条件的腔:引入几何参数引入几何参数特点:腔内傍轴光线经多次往返不会从腔内溢出,是低损特点:腔内傍轴光线经多次往返不会从腔内溢出,是低损耗腔。耗腔。(2)(2)非稳定腔非稳定腔满足下列不等式的谐振腔为非稳定腔:满足下列不等式的谐振腔为非稳定腔:或(侧面逸出能量为有用输出(侧面逸出能量为有用输出)特点:特点:傍傍轴轴光光线线在在这这类类谐谐振振腔腔内内往往返返有有限限次次后后必必然然从从
15、侧侧面面逸逸出出腔腔外外,因而这类腔具有较高的几何损耗,但光束空间质量好。因而这类腔具有较高的几何损耗,但光束空间质量好。典型的非稳定腔有双凸腔、平凸腔、平凹腔、双凹腔、典型的非稳定腔有双凸腔、平凸腔、平凹腔、双凹腔、非对称实共焦非稳腔、虚共焦腔等。非对称实共焦非稳腔、虚共焦腔等。双凸腔 平凸腔 平凹腔 双凹非稳腔 非对称实共焦非稳腔 虚共焦腔LRLR1+R2两个反射镜曲率半径与腔长相等,公共焦点在腔中心。两个反射镜曲率半径与腔长相等,公共焦点在腔中心。简并:简并:稳定腔内光束有限次往返后可形成闭合光路稳定腔内光束有限次往返后可形成闭合光路3 3)临界腔(介稳腔)临界腔(介稳腔)属于极限情况属
16、于极限情况 对称共焦腔对称共焦腔 特点:特点:任意近轴光线可无限多次往返而不逸出腔外,是最重任意近轴光线可无限多次往返而不逸出腔外,是最重要和最有代表性的一种稳定腔。要和最有代表性的一种稳定腔。轴向光线:闭合轴向光线:闭合非轴向光线:逸出非轴向光线:逸出介稳腔介稳腔平行平面腔平行平面腔 多镜腔、复合腔多镜腔、复合腔复合腔:双波长和频复合腔:双波长和频-593nm黄光黄光复合腔:双调复合腔:双调Q双波长双波长Nd:YAG/Cr:YAG激光器激光器折叠腔:激光器腔内倍频折叠腔:激光器腔内倍频多镜腔:自锁模飞秒激光器多镜腔:自锁模飞秒激光器选择性损耗选择性损耗几何损耗:几何损耗:腔的类型,几何尺寸腔
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电子 技术 详解
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【w****g】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【w****g】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。