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激光器的基本思想
激光器的基本思想
封闭腔中光子简并度 极低
开腔中的激活介质能对光进行受激辐射放大
（而不是受激吸收）
。
开腔能够提高光子简并度
（通过腔对光波模式的选择）
1、受激辐射占优势的条件 －粒子数反转分布
实现粒子数反转的工作物质称为增益（或激活）介质。
粒子数反转分布是产生激光的前提条件。
如何实现粒子数反转分布？
Bolzman分布
反转分布
只有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。
粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大
2、激活介质对光的增益与损耗
增益系数：描述激光工作物质放大特性的参数。
激活介质：指已经处于粒子数反转状态的工作物质。
定义：光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。
0
z
增益介质
I(z)
I0
0
z
dz薄层
当 不随 变化,是常数时，有：
Dn(z)
0
z
增益介质
I(z)
I0
0
z
dz薄层
净STE光子数密度
证明：
（介质的折射率）
损耗系数 a
激活介质中不仅存在增益，还有损耗。
损耗系数－单位长度光强衰减的百分比。（负增益系数）
G & a 并存的介质中，光强的变化
解微分方程并有
dz薄层
G &
（1）平均单程损耗率
定义：
I0：初始光强，I1：往返一周后的光强。
分类：
①选择性损耗：损耗大小与横模有关，如衍射损耗；
②非选择性损耗：损耗大小与横模无关，如输出损耗。
3、无源腔损耗
或
证：
计算：
①衍射损耗：由于衍射作用反射镜不能覆盖衍射光而造成的损耗。
L：腔长, ：光波长, a：反射镜半径
证：
2a
2(a+L )

L
设初始光强为I0
则单程光强为：
②输出损耗：
由于反射镜透射光而造成的损耗。
r1、 r2:两反射镜的反射率
T:半反镜的透射率
（r1=1, T=1-r2 <0.05）
或
证：
设初始光强为I0 ,
则往返一周光强为I1=I0r1r2
当T<0.05
（2）光子在腔内的平均寿命
在 t 时刻时，往返次数
t 时刻的光强
物理意义:
腔的时间常数
设初始光强Io，在腔内往返m 次后，光强为Im，则
定义：腔内光强从初始值衰减到它的1/e所用时间。
腔内光子平均寿命
t~t+dt时间内减少的光子数密度
因为（-dN）个光子的寿命均为t，即在0～t这段时间内它们存在于腔内，而再经过无限小的时间间隔dt后，它们就不在腔内了。
谐振腔损耗越小，腔内光子平均寿命越长；
腔内有增益介质，使谐振腔净损耗减小，光子寿命变长。
注意
N是t时刻腔内光子数密度
4、自激振荡条件－激光振荡条件
r2
Index of refraction : h medium length ： L
r1
I0
I1
－阈值条件
如何使有限长增益介质成为“无限长”光放大器
沿着腔轴的光在腔内多次往返
等效无限长放大器

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