激光原理期末总复习ppt课件

光电与信息工程学院光电与信息工程学院http:/期期 末末 总总 复复 习习期期 末末 总总 复复 习激光原理及应用习激光原理及应用福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院考试题型及时间考试题型及时间1.选择题（选择题（20%）2.填空题（填空题（20%）3.简答、综合计算题（简答、综合计算题（60%）考试时间：考试时间：2014年年11月月17日（日（14:30-16:30）考试地点：考试地点：笃行笃行1-212Email：2考试题型及时间选择题（考试题型及时间选择题（20%）2福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院第一章第一章 辐射理论概要与激光产生条件辐射理论概要与激光产生条件1.1.激光的四个基本特点激光的四个基本特点:(:(单色性好；方向性好；相干性好；单色性好；方向性好；相干性好；亮度高）亮度高）P1P12.2.玻耳兹曼分布，粒子数反转玻耳兹曼分布，粒子数反转;P8;P83.3.辐射跃迁和非辐射跃迁辐射跃迁和非辐射跃迁;P8;P84.4.辐射跃迁辐射跃迁(光和物质相互作用光和物质相互作用)包括的三种基本过程；包括的三种基本过程；P10P105.5.自发辐射、受激辐射和受激吸收，三个爱因斯坦系数及其自发辐射、受激辐射和受激吸收，三个爱因斯坦系数及其相互关系相互关系;P10-13;P10-136.6.自发辐射和受激辐射的特点，自发辐射和受激辐射强度的自发辐射和受激辐射的特点，自发辐射和受激辐射强度的比较比较;P10,14;P10,143第一章第一章 辐射理论概要与激光产生条件激光的四个基本特点辐射理论概要与激光产生条件激光的四个基本特点:(单色单色福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院7.7.单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度;P9;P98.8.光谱线型函数、光谱线宽度的定义及其对光与物质的作用光谱线型函数、光谱线宽度的定义及其对光与物质的作用的影响的影响;P15;P15，16169.9.引起自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽的原因？它们各自引起自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽的原因？它们各自具体的线型函数？具体的线型函数？P17-22P17-2210.10.均匀增宽和非均匀增宽的概念？常见的三种线型函数分别均匀增宽和非均匀增宽的概念？常见的三种线型函数分别是何种增宽。是何种增宽。P23P2311.11.受激辐射大于吸收的条件？受激辐射大于吸收的条件？P26P2612.12.实现受激光放大的条件实现受激光放大的条件;P27;P2713.13.激光器的基本结构由那三个部分组成，各有何作用激光器的基本结构由那三个部分组成，各有何作用;P27;P27第一章第一章 辐射理论概要与激光产生条件辐射理论概要与激光产生条件4单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度;P9第一章第一章福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院第一章第一章 辐射理论概要与激光产生条件辐射理论概要与激光产生条件光具有波粒二像性：光具有波粒二像性：把光辐射场看作各种把光辐射场看作各种不同频率的电磁不同频率的电磁场场的集合的集合把光辐射场看作是把光辐射场看作是数目不固定的光子数目不固定的光子光的一个基本性质就是具有波粒二像性。光的一个基本性质就是具有波粒二像性。光是电磁波，具有波动性，有一定的光是电磁波，具有波动性，有一定的频率频率和和波长波长光是光子流，光子是具有一定光是光子流，光子是具有一定能量能量和和动量动量的物质粒子的物质粒子1.光的电磁波理论光的电磁波理论5第一章第一章 辐射理论概要与激光产生条件光具有波粒二像性：把光辐射辐射理论概要与激光产生条件光具有波粒二像性：把光辐射福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院光是一定频率范围内的电磁波，其运动服从电磁波理论光是一定频率范围内的电磁波，其运动服从电磁波理论光的波动性光的波动性nhE=22/chmhmcEnn=（2)光子具有运动质量光子具有运动质量m:Plancks constantPlancks constanth=6.626*10h=6.626*10-34-34 Joule-Joule-secsec光子的静止质量为零。光子的静止质量为零。光的粒子性光的粒子性（1）光子的能量与光波频率之间的关系：光子的能量与光波频率之间的关系：6光是一定频率范围内的电磁波，其运动服从电磁波理论光的波动性光是一定频率范围内的电磁波，其运动服从电磁波理论光的波动性n福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院kknPp20hmc=h(3)光子的动量光子的动量P:(4)光子具有两种独立的偏振状态光子具有两种独立的偏振状态(5)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，光子的集合服光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，光子的集合服从玻色爱因斯坦统计规律从玻色爱因斯坦统计规律7kknPp20hmc=h(3)光子的动量光子的动量P:(4)光子光子福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院2 波尔兹曼分布波尔兹曼分布在热平衡条件下在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：分别处于分别处于E Em m和和E En n能级上的能级上的原子数原子数n nm m和和n nn n必然满足下一必然满足下一关系关系 热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数处在低能级状态的粒子数82 波尔兹曼分布在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼波尔兹曼分布在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院绝对黑体示意图绝对黑体示意图空腔辐射体空腔辐射体黑体黑体黑体黑体(绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体)：指入射到该物体面上各种波长的指入射到该物体面上各种波长的能量都能完全吸收的物体，即能量都能完全吸收的物体，即 。黑体辐射理论：黑体辐射理论：黑体辐射理论：黑体辐射理论：描述物体处于热平衡状态时吸收和辐射能量的宏观描述物体处于热平衡状态时吸收和辐射能量的宏观特征及其规律。特征及其规律。3.3.普朗克的黑体辐射普朗克的黑体辐射9绝对黑体示意图黑体绝对黑体示意图黑体(绝对黑体绝对黑体)：黑体辐射理论：黑体辐射理论：3.普朗克的黑普朗克的黑福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院4.4.光的自发辐射、受激辐射、受激吸收光的自发辐射、受激辐射、受激吸收光的自发辐射光的自发辐射光的自发辐射光的自发辐射在没有外界作用的情况下，原子从高能级在没有外界作用的情况下，原子从高能级E E2 2向低能级向低能级E E1 1的的跃迁方式有两种：跃迁方式有两种：无辐射跃迁无辐射跃迁和和自发辐射跃迁自发辐射跃迁。自发辐射爱自发辐射爱因斯坦系数因斯坦系数A A2121表示原子在单位时间内参与自发辐射的自发辐射跃迁机率。表示原子在单位时间内参与自发辐射的自发辐射跃迁机率。104.光的自发辐射、受激辐射、受激吸收光的自发辐射在没有外界作光的自发辐射、受激辐射、受激吸收光的自发辐射在没有外界作福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院自发辐射平均寿命：自发辐射平均寿命：全部原子完成自发辐射所需时间全部原子完成自发辐射所需时间之和对原子数的平均。等于原子数密度由起始值降到之和对原子数的平均。等于原子数密度由起始值降到1/e所用的时间，用所用的时间，用 表示表示例如：红宝石晶体中，铬离子激光上下能级间自发例如：红宝石晶体中，铬离子激光上下能级间自发辐射系数辐射系数A21为为102s-1量级，表示它的平均寿命约为量级，表示它的平均寿命约为10-2s。11自发辐射平均寿命：全部原子完成自发辐射所需时间之和对原子数的自发辐射平均寿命：全部原子完成自发辐射所需时间之和对原子数的福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院自发辐射的特点自发辐射的特点原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界辐射场无关；自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态和传播方向杂乱无章；光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定的偏振状态。12自发辐射的特点原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界辐射自发辐射的特点原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界辐射福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院光的受激吸收光的受激吸收单位时间内原子受激吸收的几率单位时间内原子受激吸收的几率爱因斯坦系数爱因斯坦系数受激吸收的特点受激吸收的特点原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关；原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦吸收有关；原子的受激吸收几率与外来光辐射能力密度有关。13光的受激吸收单位时间内原子受激吸收的几率爱因斯坦系数受激吸收光的受激吸收单位时间内原子受激吸收的几率爱因斯坦系数受激吸收福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院单位时间内原子受激辐射的跃迁几率单位时间内原子受激辐射的跃迁几率受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数光的受激辐射光的受激辐射 原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。频率、位相、偏振及传播方向。光的受激辐射的特点光的受激辐射的特点14单位时间内原子受激辐射的跃迁几率受激辐射爱因斯坦系数光的受激单位时间内原子受激辐射的跃迁几率受激辐射爱因斯坦系数光的受激福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院5.5.爱因斯坦三系数的相互关系爱因斯坦三系数的相互关系热平衡情况下，辐射率热平衡情况下，辐射率和吸收率是相等的和吸收率是相等的根据根据各能级的原子密度服从各能级的原子密度服从玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布黑体辐射黑体辐射能量密度能量密度与普朗克公式与普朗克公式比较比较118),(33-=KTheChTnnpnr155.爱因斯坦三系数的相互关系热平衡情况下，辐射率和吸收率是相爱因斯坦三系数的相互关系热平衡情况下，辐射率和吸收率是相福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院 式中式中g g1 1和和g g2 2分别分别表示能级表示能级E E1 1和和E E2 2的简并度，或称的简并度，或称统计权重统计权重由式中可见：由式中可见：1.1.当其他条件相同时，受激辐当其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同的几射和受激吸收具有相同的几率。热平衡时，高能级的原率。热平衡时，高能级的原子数少于低能级的原子数。子数少于低能级的原子数。2.2.自发辐射的出现随频率的三自发辐射的出现随频率的三次方而增加，波长越短，自次方而增加，波长越短，自发辐射的几率越大。发辐射的几率越大。16 式中式中g1和和g2分别表示能级分别表示能级E1和和E2的简并度，或称统计的简并度，或称统计福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院6.6.自发辐射光功率与受激辐射光功率自发辐射光功率与受激辐射光功率受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为：之比为：对于平衡热辐射源对于平衡热辐射源 ，则有：，则有：176.自发辐射光功率与受激辐射光功率受激辐射光功率体密度与自发自发辐射光功率与受激辐射光功率受激辐射光功率体密度与自发福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院图图(1-10)光谱的线型函数光谱的线型函数 线型函数线型函数f(v)：单位频率间隔的相对光强分布，称作：单位频率间隔的相对光强分布，称作光谱线的线型函数。光谱线的线型函数。7.7.光谱线型函数光谱线型函数18图图(1-10)光谱的线型函数光谱的线型函数 线型函数线型函数f(v)：单位频率：单位频率福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院线型函数的归一化条件：相对光强之和（积分）为线型函数的归一化条件：相对光强之和（积分）为1l 光谱线宽度光谱线宽度 ：相对光强为最大值的一半处：相对光强为最大值的一半处 的频率间隔，即：的频率间隔，即：考虑光谱线线型的影响后考虑光谱线线型的影响后自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收19线型函数的归一化条件：相对光强之和（积分）为线型函数的归一化条件：相对光强之和（积分）为1 光谱线宽度光谱线宽度 福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院8.光谱线的加宽机制和类型光谱线的加宽机制和类型（1 1）均匀加宽：）均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个发光粒子都是引起加宽的物理因素对每个发光粒子都是等同的。由于均匀加宽对每个原子的辐射的影响是相同的，等同的。由于均匀加宽对每个原子的辐射的影响是相同的，因此在均匀加宽的影响下，每个原子都具有相同的辐射特因此在均匀加宽的影响下，每个原子都具有相同的辐射特性，即每个原子都以整个线型函数的形式辐射光子性，即每个原子都以整个线型函数的形式辐射光子如：自然加宽、如：自然加宽、寿命加宽、压力加宽、热声子加宽寿命加宽、压力加宽、热声子加宽（2 2）非均匀加宽：）非均匀加宽：由于某种物理因素的影响，使得发光由于某种物理因素的影响，使得发光原子有不同的表观中心频率，使总的辐射谱线加宽。原子有不同的表观中心频率，使总的辐射谱线加宽。（3 3）综合加宽：）综合加宽：均匀加宽与非均匀加宽同时存在均匀加宽与非均匀加宽同时存在如：多普勒加宽、晶格随机缺陷加宽如：多普勒加宽、晶格随机缺陷加宽208.光谱线的加宽机制和类型（光谱线的加宽机制和类型（1）均匀加宽：引起加宽的物理因素）均匀加宽：引起加宽的物理因素福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（1）从谱线加宽角度看：对均匀加宽，每个粒子的自发辐）从谱线加宽角度看：对均匀加宽，每个粒子的自发辐射具有完全相同的线型函数、线宽、中心频率。对非均射具有完全相同的线型函数、线宽、中心频率。对非均匀加宽，介质中的发光粒子可以分类，可探测到不同的匀加宽，介质中的发光粒子可以分类，可探测到不同的中心频率。中心频率。(2)对均匀加宽，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，对均匀加宽，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，对非均匀加宽，某个离子的线型和线宽不等于整个介质对非均匀加宽，某个离子的线型和线宽不等于整个介质的谱线加宽和线宽。的谱线加宽和线宽。u均匀加宽和非均匀加宽的本质差别均匀加宽和非均匀加宽的本质差别21（1）从谱线加宽角度看：对均匀加宽，每个粒子的自发辐射具有完）从谱线加宽角度看：对均匀加宽，每个粒子的自发辐射具有完福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院(3)对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特定频率与对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中某类离子建立联系和对应关系。对非均匀加宽，介质中某类离子建立联系和对应关系。对非均匀加宽，某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，对其他频率无贡献。对其他频率无贡献。(4)当某一频率的准单色光与介质相互作用，对均匀加宽，当某一频率的准单色光与介质相互作用，对均匀加宽，入射光场与所有的粒子发生完全相同的共振相互作用，入射光场与所有的粒子发生完全相同的共振相互作用，所有粒子具有相同的受激跃迁几率和极化强度。对非均所有粒子具有相同的受激跃迁几率和极化强度。对非均匀加宽，只有表观中心频率与入射光场频率相应的某类匀加宽，只有表观中心频率与入射光场频率相应的某类粒子发生相互作用，不同粒子的极化情况也不同。粒子发生相互作用，不同粒子的极化情况也不同。u均匀加宽和非均匀加宽的本质差别均匀加宽和非均匀加宽的本质差别22(3)对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院v有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；其有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；其激活粒子有适合于受激辐射的能级结构；激活粒子有适合于受激辐射的能级结构；v有外界激励源有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居数反转；使激光上下能级之间产生集居数反转；形成激光的内在依据形成激光的内在依据v有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。持振荡。形成激光的外部条件形成激光的外部条件激光的产生必须具备的前提条件激光的产生必须具备的前提条件9.激光的产生激光的产生23有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；其激活粒子有适合于有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；其激活粒子有适合于福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院实现粒子数反转的过程称为泵浦实现粒子数反转的过程称为泵浦(或抽运或抽运)常用的方法：光泵浦、放电泵浦、化学反应泵浦、常用的方法：光泵浦、放电泵浦、化学反应泵浦、重粒子泵浦、离子辐射泵浦重粒子泵浦、离子辐射泵浦形成激光的决定形成激光的决定性条件性条件当：当：才能形成激光振荡。才能形成激光振荡。阈值条件阈值条件激光振荡的阈值条件激光振荡的阈值条件24实现粒子数反转的过程称为泵浦实现粒子数反转的过程称为泵浦(或抽运或抽运)形成激光的决定性条件当形成激光的决定性条件当福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激能够实现粒子数反转，产生受激光放大光放大激励能源：激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数补充受激辐射减少的高能级上粒子数光学谐振腔：光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收受激吸收25激光器的基本结构激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光激光器的基本结构激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院第二章第二章 激光器的工作原理激光器的工作原理1.1.共轴球面腔的稳定性条件；共轴球面腔的稳定性条件；P29P292.2.稳定腔、临界腔的概念；共焦腔、共心腔的概念；稳定腔、临界腔的概念；共焦腔、共心腔的概念；P30P303.3.小信号粒子数密度反转的概念及其影响因素小信号粒子数密度反转的概念及其影响因素;P34;P344.4.增益系数、小信号增益系数与线型函数关系增益系数、小信号增益系数与线型函数关系;P36;P365.5.均匀增宽型介质的激光器工作时的增益饱和现象，产均匀增宽型介质的激光器工作时的增益饱和现象，产生增益饱和的原因，增益饱和与线型函数的关系生增益饱和的原因，增益饱和与线型函数的关系;P37;P3726第二章第二章 激光器的工作原理共轴球面腔的稳定性条件；激光器的工作原理共轴球面腔的稳定性条件；P2926福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院6.非均匀增宽型介质，一般情况下增益饱和产生粒子数非均匀增宽型介质，一般情况下增益饱和产生粒子数密度反转分布有烧孔效应，以及增益系数的烧孔效应的密度反转分布有烧孔效应，以及增益系数的烧孔效应的原因原因;P427.非均匀增宽型介质激光器的对称烧孔现象非均匀增宽型介质激光器的对称烧孔现象;P438.激光器的损耗的分类，各种损耗产生的原因激光器的损耗的分类，各种损耗产生的原因;P449.激光器内形成稳定光强的过程，形成稳定光强的条件激光器内形成稳定光强的过程，形成稳定光强的条件;P4410.激光器出光的阈值条件，阈值与总损耗系数关系激光器出光的阈值条件，阈值与总损耗系数关系;P45第二章第二章 激光器的工作原理激光器的工作原理27 非均匀增宽型介质，一般情况下增益饱和产生粒子数密度反转分布非均匀增宽型介质，一般情况下增益饱和产生粒子数密度反转分布福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院光学谐振腔的三个作用：光学谐振腔的三个作用：倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度，倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度，控制光束传播方向，控制光束传播方向，对激光进行选频。对激光进行选频。1.共轴球面腔的稳定性条件共轴球面腔的稳定性条件稳定腔条件为：稳定腔条件为：28光学谐振腔的三个作用：光学谐振腔的三个作用：1.共轴球面腔的稳定性条件稳定腔条件为共轴球面腔的稳定性条件稳定腔条件为福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院2.速率方程速率方程速率方程理论：速率方程理论：量子理论的简化形式量子理论的简化形式。出发点是研究光子。出发点是研究光子（量子化的辐射场）与物质原子的相互作用（量子化的辐射场）与物质原子的相互作用。它不涉及光。它不涉及光与物质相互作用的力学过程，而是与物质相互作用的力学过程，而是基于爱因斯坦的维象理基于爱因斯坦的维象理论，建立起原子在各能级上的集居数密度在与光场相互作论，建立起原子在各能级上的集居数密度在与光场相互作用过程中的变换速率方程，以及光场的光子数变化速率方用过程中的变换速率方程，以及光场的光子数变化速率方程，程，用速率方程讨论激光器的特性。理论形式简单，可以用速率方程讨论激光器的特性。理论形式简单，可以给出激光的强度特性，并粗略地解释模式竞争、线宽极限给出激光的强度特性，并粗略地解释模式竞争、线宽极限等物理现象，但无法揭示光的色散以及由此引起的频率牵等物理现象，但无法揭示光的色散以及由此引起的频率牵引等现象。引等现象。292.速率方程速率方程理论：量子理论的简化形式。出发点是研究速率方程速率方程理论：量子理论的简化形式。出发点是研究福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院速率方程组速率方程组E E2 2能级在单位时间内增加的粒子数密度为能级在单位时间内增加的粒子数密度为单位时间内单位时间内E E1 1能级上增加的粒子数密度为能级上增加的粒子数密度为总粒子数为各能级上粒子数之和总粒子数为各能级上粒子数之和30速率方程组速率方程组E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为能级在单位时间内增加的粒子数密度为30福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院小信号粒子数密度反转：小信号粒子数密度反转：一般情况下的粒子数密度反转一般情况下的粒子数密度反转3.3.粒子数密度反转粒子数密度反转31小信号粒子数密度反转：一般情况下的粒子数密度反转小信号粒子数密度反转：一般情况下的粒子数密度反转3.粒子数密粒子数密福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院粒子数密度按照谐振腔内光波频率分布，与光强、饱粒子数密度按照谐振腔内光波频率分布，与光强、饱和光强、中心频率、小信号粒子数密度反转有关。和光强、中心频率、小信号粒子数密度反转有关。一般情况的粒子数密度反转分布就与抽运速率、能级一般情况的粒子数密度反转分布就与抽运速率、能级寿命联系起来寿命联系起来对于均匀增宽介质对于均匀增宽介质32粒子数密度按照谐振腔内光波频率分布，与光强、饱和光强、中心频粒子数密度按照谐振腔内光波频率分布，与光强、饱和光强、中心频福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院 粒子数密度反转分布值的饱和效应：粒子数密度反转分布值的饱和效应：当腔内光当腔内光强强I=0（即小信号）时，粒子数反转分布（即小信号）时，粒子数反转分布 最大。当腔内光强的影响不能忽略时，最大。当腔内光强的影响不能忽略时，将随将随光强的增加而减小。光强的增加而减小。图图2-6 nn的饱和效应的饱和效应33 粒子数密度反转分布值的饱和效应：当腔内光强粒子数密度反转分布值的饱和效应：当腔内光强I=0（即小信号（即小信号福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院4.均匀增宽介质的增益系数均匀增宽介质的增益系数小信号增益系数可以表示为：小信号增益系数可以表示为：说明小信号的说明小信号的G与光强无关，与光强无关，仅为频率的函数，且与线型函数仅为频率的函数，且与线型函数 有近似的变化规律。如图有近似的变化规律。如图2-7所所示。示。图图2-7 均匀增宽型小讯号增益曲线均匀增宽型小讯号增益曲线344.均匀增宽介质的增益系数小信号增益系数可以表示为：说明小信均匀增宽介质的增益系数小信号增益系数可以表示为：说明小信福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院均匀增宽型介质的增益饱和均匀增宽型介质的增益饱和当光强为当光强为I、频率为、频率为 的准单色光进入增益介质，其增的准单色光进入增益介质，其增益系数为益系数为增益饱和增益饱和：当入射光强增加到一定程度后，增益系数随光：当入射光强增加到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。增益饱和的物理解释增益饱和的物理解释：介质中粒子数密度反转分布值因受：介质中粒子数密度反转分布值因受激辐射的消耗而下降，进而使增益系数也同时下降，直到激辐射的消耗而下降，进而使增益系数也同时下降，直到达到饱和光强，光放大过程停止。达到饱和光强，光放大过程停止。35均匀增宽型介质的增益饱和当光强为均匀增宽型介质的增益饱和当光强为I、频率为、频率为 的准单色的准单色福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院介质对频率为介质对频率为 、光强为、光强为I的光波的增益系数为的光波的增益系数为饱和光强饱和光强饱和光强饱和光强I Is s是激光工作物质的光学性质，不同物质差是激光工作物质的光学性质，不同物质差别很大，它决定着腔内光强别很大，它决定着腔内光强。氦氖激光器（氦氖激光器（632.8nm谱线）谱线）Is大约为大约为0.3W/mm2氩离子激光器（氩离子激光器（514.5nm谱线）谱线）Is大约为大约为7.0W/mm2纵向二氧化碳激光器（纵向二氧化碳激光器（10.6微米谱线）微米谱线）Is大约为大约为0.3W/mm2 增益饱和现象可分为三种情况进行讨论增益饱和现象可分为三种情况进行讨论36介质对频率为介质对频率为 、光强为、光强为I的光波的增益系数为的光波的增益系数为 增益增益福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院介质对频率为介质对频率为 、光强为、光强为I的光波的增益系数的光波的增益系数由于由于 与与 相似相似,可表示为可表示为代入得代入得37介质对频率为介质对频率为 、光强为、光强为I的光波的增益系数的光波的增益系数3福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院均匀增宽型介质的增益饱和曲线如图均匀增宽型介质的增益饱和曲线如图2-8图图2-8当当光强对增益系数的影响几乎可以忽略。光强对增益系数的影响几乎可以忽略。增益系数：增益系数：38均匀增宽型介质的增益饱和曲线如图均匀增宽型介质的增益饱和曲线如图2-8图图2-8当光强对增益系当光强对增益系福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院强光作用下的增益介质对另一小信号的增益系数强光作用下的增益介质对另一小信号的增益系数此时介质对另一小讯号的增益系数也下降为此时介质对另一小讯号的增益系数也下降为在腔内传播着频率为在腔内传播着频率为 、强度为、强度为I的光波时，介质中的光波时，介质中E2上能级上的粒子数密度在上能级上的粒子数密度在I的激励下大大减少为的激励下大大减少为39强光作用下的增益介质对另一小信号的增益系数此时介质对另一小讯强光作用下的增益介质对另一小信号的增益系数此时介质对另一小讯福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院对于均匀增宽型介质来说，在光强对于均匀增宽型介质来说，在光强I的作用下，介质的的作用下，介质的光谱线型不变、线宽不变、增益系数随频率的分布也不光谱线型不变、线宽不变、增益系数随频率的分布也不变，它仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍变，它仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍数数40对于均匀增宽型介质来说，在光强对于均匀增宽型介质来说，在光强I的作用下，介质的光谱线型不变的作用下，介质的光谱线型不变福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院5.非均匀增宽型介质的对称烧孔线性非均匀增宽型介质的对称烧孔线性频率为频率为 、强度为、强度为I的光波仅在频的光波仅在频率率 附近宽度为附近宽度为 范围内的粒子有增益饱和作用，如图范围内的粒子有增益饱和作用，如图（2.6.5）所示，增益系数在）所示，增益系数在 处处下降的现象称为增益系数的下降的现象称为增益系数的”烧孔烧孔”作用。孔的宽度仍为：作用。孔的宽度仍为：图（图（2.6.5）非均匀增宽型）非均匀增宽型增益饱和增益饱和但孔的深度浅了一些，在频率但孔的深度浅了一些，在频率为为 、强度为、强度为I的光波作用的光波作用下，介质的增益系数下，介质的增益系数 为：为：415.非均匀增宽型介质的对称烧孔线性频率为非均匀增宽型介质的对称烧孔线性频率为 、强度为、强度为I的的福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院图（图（2.6.3）非均匀增宽型）非均匀增宽型激光器中增益饱和激光器中增益饱和42图（图（2.6.3）非均匀增宽型激光器中增益饱和）非均匀增宽型激光器中增益饱和42福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院6.形成稳定光强的条件形成稳定光强的条件7.阈值条件阈值条件阈值抽运功率为：阈值抽运功率为：436.形成稳定光强的条件形成稳定光强的条件7.阈值条件阈值抽运功率为：阈值条件阈值抽运功率为：43福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性1.1.自再现模概念；自再现模概念；P50P502.2.激光器的模式，何为纵模何为横模，横模的表示方式激光器的模式，何为纵模何为横模，横模的表示方式;P51;P51，52523.3.激光器的输出频率必须满足的三个条件激光器的输出频率必须满足的三个条件;P53;P534.4.高斯光束的特征参量；高斯光束的特征参量；P60P605.5.稳定球面腔中高斯光束特征参量的计算；稳定球面腔中高斯光束特征参量的计算；P61,62P61,626.6.兰姆凹陷产生的原因，它与激光器中气体压力的关系？兰姆凹陷产生的原因，它与激光器中气体压力的关系？P68P6844第三章第三章 激光器的输出特性自再现模概念；激光器的输出特性自再现模概念；P5044福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院1.自再现模自再现模p自再现模概念自再现模概念自再现模自再现模:稳态场经一次往返后，唯一的变化是，镜稳态场经一次往返后，唯一的变化是，镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。这个稳定的横向场分布，就是激生同样大小的滞后。这个稳定的横向场分布，就是激光谐振腔的自再现模。光谐振腔的自再现模。特点特点1：当反射次数足够多时（大约三百多次反射）当反射次数足够多时（大约三百多次反射）光束的横向场分布便趋于稳定，分布不再受衍射的影光束的横向场分布便趋于稳定，分布不再受衍射的影响。响。特点特点2：场分布在腔内往返传播一次后能够场分布在腔内往返传播一次后能够“再现再现”出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度分布。分布。451.自再现模自再现模概念自再现模自再现模概念45福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院图图3-3 横模光斑示意图横模光斑示意图 用用TEMmnq来表示激光模式，来表示激光模式，TEM代表横电磁波代表横电磁波(transverse electro-magnetic wave)的简写，的简写，m、n分别代表在截面的分别代表在截面的x、y轴方向出现的节线数，为横模轴方向出现的节线数，为横模序数；序数；q代表在代表在z轴上出现的节线数，为纵模序数轴上出现的节线数，为纵模序数方形镜方形镜圆形镜圆形镜2.激光的模式激光的模式图图3-3 横模光斑示意图横模光斑示意图 用用TEMmnq来表示激光模式，来表示激光模式，T46福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院3.光学谐振腔谐振频率和激光纵模光学谐振腔谐振频率和激光纵模p 谐振条件、驻波和激光纵模谐振条件、驻波和激光纵模光波在腔内往返一周的总相移应等于光波在腔内往返一周的总相移应等于2 的整数倍，即的整数倍，即只有某些特定频率的光才能满足谐振条件只有某些特定频率的光才能满足谐振条件 每个每个q值对应一个驻波，称之为：纵模，值对应一个驻波，称之为：纵模，q为纵模序数。为纵模序数。谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数。谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数。473.光学谐振腔谐振频率和激光纵模光学谐振腔谐振频率和激光纵模 谐振条件、驻波和激光纵谐振条件、驻波和激光纵福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔4.激光器的输出频率必须满足的条件激光器的输出频率必须满足的条件满足谐振条件满足谐振条件;满足阈值条件满足阈值条件落在工作物质原子荧光线宽范围内。落在工作物质原子荧光线宽范围内。48腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔4.激光器的输出激光器的输出福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院5 共焦腔镜面上的场分布（方形镜）共焦腔镜面上的场分布（方形镜）图图(3-5)的变化曲线及相应的光强分布的变化曲线及相应的光强分布 激光模式的符号：激光模式的符号：TEMmnq，TEM00是基是基横模。横模。m、n的数值正好分的数值正好分别等于光强在别等于光强在x，y方方向上的节线向上的节线(光强为零光强为零的线的线)数目，而且数目，而且m、n的数值越大，光场也的数值越大，光场也越向外扩展。越向外扩展。振幅分布振幅分布495 共焦腔镜面上的场分布（方形镜）图共焦腔镜面上的场分布（方形镜）图(3-5)福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院基横模基横模TEM00场分布为场分布为镜面上基模的镜面上基模的“光斑有效截面半径光斑有效截面半径”（2 2）相位分布）相位分布:由于由于 为实函数共焦腔反射镜为实函数共焦腔反射镜面本身构成光场的一个等相位面。面本身构成光场的一个等相位面。（3 3）单程衍射损耗：）单程衍射损耗：，但但是在讨论激光器单横模的选取时必须考虑单程衍射损是在讨论激光器单横模的选取时必须考虑单程衍射损耗耗 50基横模基横模TEM00场分布为镜面上基模的场分布为镜面上基模的“光斑有效截面半径光斑有效截面半径”（2福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院图图(3-6)方形镜共焦腔的振荡频谱方形镜共焦腔的振荡频谱（4）单程相移与谐振频率：）单程相移与谐振频率：共焦腔的共焦腔的频率间隔频率间隔共焦腔谐振频率的共焦腔谐振频率的简并性简并性：只要保证：只要保证2q+m+n+1）不变不变,对应的谐振频率是可以相同的对应的谐振频率是可以相同的.频率相等的模式频率相等的模式增益相同，导致多模振荡，使输出光束质量变坏。增益相同，导致多模振荡，使输出光束质量变坏。谐振频率谐振频率：51图图(3-6)方形镜共焦腔的振荡频谱（方形镜共焦腔的振荡频谱（4）单程相移与谐振频）单程相移与谐振频福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院纵模序数纵模序数q是决定谐振频率的主要成分是决定谐振频率的主要成分q表示光波在腔内往返一个来回所经历的振动次数。表示光波在腔内往返一个来回所经历的振动次数。由于激光器谐振腔长是激光波长的由于激光器谐振腔长是激光波长的104105倍，即倍，即q的数量级为的数量级为104105。实际的激光振荡中实际的激光振荡中m、n的数值都在的数值都在10以内，即以内，即qm+n，考虑到这一点后则有：，考虑到这一点后则有：对于圆形镜共焦腔：对于圆形镜共焦腔：52纵模序数纵模序数q是决定谐振频率的主要成分是决定谐振频率的主要成分q表示光波在腔内往返一个来表示光波在腔内往返一个来福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院6.高斯光束在特征参量高斯光束在特征参量束腰半径：束腰半径：等相位面的曲率半径：等相位面的曲率半径：光束的有效截面半径：光束的有效截面半径：镜面光束半径：镜面光束半径：远场发散角：远场发散角：536.高斯光束在特征参量束腰半径：等相位面的曲率半径：光束的高斯光束在特征参量束腰半径：等相位面的曲率半径：光束的福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院7.稳定球面腔中高斯光束特征参量在计算稳定球面腔中高斯光束特征参量在计算u 一般的稳定腔可以直接求解积分方程得到腔内外光一般的稳定腔可以直接求解积分方程得到腔内外光场分布函数，也可采用等价对称共焦腔方法，将对称共场分布函数，也可采用等价对称共焦腔方法，将对称共焦腔的结果推广到一般稳定球面腔。焦腔的结果推广到一般稳定球面腔。稳定球面腔的等价共焦腔稳定球面腔的等价共焦腔对称共焦腔中，对称共焦腔中，在场的任意一个等相位面处放置具在场的任意一个等相位面处放置具有相应曲率的反射镜，不改变光场分布，因此有相应曲率的反射镜，不改变光场分布，因此任何任何一个对称共焦腔存在无一个对称共焦腔存在无 穷多个穷多个“等价等价”球面腔。反球面腔。反之，之，任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地与一个共焦腔等价。与一个共焦腔等价。547.稳定球面腔中高斯光束特征参量在计算稳定球面腔中高斯光束特征参量在计算 一般的稳定腔可以直一般的稳定腔可以直福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院图图(3-10)球面腔的等价共焦腔球面腔的等价共焦腔假设双凹腔两镜面假设双凹腔两镜面M M1 1与与M M2 2的曲率半径分别为的曲率半径分别为R R1 1和和R R2 2，腔，腔长为长为L L，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为f f。如图。如图(3-10)(3-10)所示。则有：所示。则有：55图图(3-10)球面腔的等价共焦腔假设双凹腔两镜面球面腔的等价共焦腔假设双凹腔两镜面M1与与M2福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院等效共焦腔的束腰半径等效共焦腔的束腰半径决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质。决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质。决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质。决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质。56等效共焦腔的束腰半径决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质等效共焦腔的束腰半径决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径 57原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径 57福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院 上图为上图为 输出功率曲线，其在中心频率处出现输出功率曲线，其在中心频率处出现一个凹陷，称为一个凹陷，称为“兰姆凹陷兰姆凹陷”虽然介质在中心频率处的小讯号增益系数比其他任何虽然介质在中心频率处的小讯号增益系数比其他任何频率的小讯号增益系数大，但是激光器对频率的小讯号增益系数大，但是激光器对 0光波的输出光波的输出功率要比它对功率要比它对 0附近各频率光波的输出功率还要低。附近各频率光波的输出功率还要低。8.兰姆凹陷兰姆凹陷58 上图为上图为 输出功率曲线，其在中心输出功率曲线，其在中心福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院如何解释兰姆凹陷？如何解释兰姆凹陷？当当 时，时，输出功率输出功率P0当当 时，激光振荡将在增益曲线的时，激光振荡将在增益曲线的v2和和 处造成两个凹陷，激光功率处造成两个凹陷，激光功率P2正比于这两个凹陷面积之和。正比于这两个凹陷面积之和。59如何解释兰姆凹陷？当如何解释兰姆凹陷？当 时，时，福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院当当 时，由于烧孔面积增大，所以功率时，由于烧孔面积增大，所以功率P3比比P2大。大。当频率当频率vq接近接近v0时，两个烧孔部分重叠，烧孔面积可能小时，两个烧孔部分重叠，烧孔面积可能小于于 时两个烧孔面积的和，因此时两个烧孔面积的和，因此P+-+-+-+111111,11nnnnnnnnn开始时，存在三个模式开始时，存在三个模式 故：故：63福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院不再增加不再增加 下降至零，下降至零，即即 模熄灭模熄灭继续增加继续增加继续增加继续增加继续增加继续增加增益曲线降低到曲线增益曲线降低到曲线1 1时：时：增益曲线继续下降：增益曲线继续下降：不再增加不再增加 下降至零，即下降至零，即 模熄灭继续增加继续增加模熄灭继续增加继续增加64福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院不再增加不再增加下降至零下降至零继续增加继续增加达到稳定值达到稳定值继续增加继续增加均匀加宽激光器具有自选模作用均匀加宽激光器具有自选模作用增益曲线降低到曲线增益曲线降低到曲线3 3时：时：增益曲线继续下降：增益曲线继续下降：增益曲线降低到曲线增益曲线降低到曲线2 2时：时：所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡不再增加下降至零继续增加达到稳定值继续增加均匀加宽激光器具有不再增加下降至零继续增加达到稳定值继续增加均匀加宽激光器具有65福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院空间竞争空间竞争 在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，也可能有比较弱的其他纵模出现，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？如何解释？这种现这种现象称为模的象称为模的“空间竞争空间竞争”。当腔内形成纵模为当腔内形成纵模为q的强光振荡时，此时腔内形成的强光振荡时，此时腔内形成一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，只是平均增益等于只是平均增益等于G阈阈，而在波节处增益比较高。因为，而在波节处增益比较高。因为其他纵模的波节和波腹与其他纵模的波节和波腹与q纵模不重合，所以这些纵模纵模不重合，所以这些纵模在波节处得到较高的增益，形成较在波节处得到较高的增益，形成较q纵模弱的振荡。纵模弱的振荡。空间竞争空间竞争 在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时66福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 在非均匀加宽激光器中，如果有多个纵模满足振荡条件，在非均匀加宽激光器中，如果有多个纵模满足振荡条件，由于某一纵模光腔的增加只会消耗对应的激活粒子，不会使由于某一纵模光腔的增加只会消耗对应的激活粒子，不会使增益曲线整体下降，只会在增益曲线上形成烧孔，所以只要增益曲线整体下降，只会在增益曲线上形成烧孔，所以只要纵模间间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所有小信号增纵模间间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所有小信号增益系数大于振荡阈值增益的纵模都能够稳定振荡。益系数大于振荡阈值增益的纵模都能够稳定振荡。当然，如果两个当然，如果两个纵模的烧孔重合，纵模的烧孔重合，或者由于间隔过或者由于间隔过小而部分重合，小而部分重合，则也同样会产生则也同样会产生竞争现象竞争现象。2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 在非均匀加宽激光在非均匀加宽激光67福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院（总复习）（总复习）福建师范大学光电学院福建师范大学光电学院3.稳频方法概述稳频方法概述 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，系统回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，实现稳频。实现稳频。(1)被动式稳频被动式稳频(2)主动式稳频主动式