光电子学基础知识(1).pptx

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1、光电子学基光电子学基础知识础知识2021/9/121前言前言光电子技术定义光电子技术定义 光电子技术是光学技术与电子技光电子技术是光学技术与电子技术结合的产物，是电子技术在光频波术结合的产物，是电子技术在光频波段的延续与发展。是研究光（特别是段的延续与发展。是研究光（特别是相干光）的产生、传输、控制和探测相干光）的产生、传输、控制和探测的科学技术。的科学技术。未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。2021/9/122前言前言本课程的结构和内容安排&第一章第一章 电磁波与光波（理论基础）电磁波与光波（理论基础）&第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源&第三章第三章 光波的传输光波的传输

2、&第四章第四章 光波的调制光波的调制&第五章第五章 光波的探测与解调光波的探测与解调出发点：出发点：一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。2021/9/123第一章第一章 光波与电磁波光波与电磁波麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式高斯定理高斯定理 斯托克斯定律斯托克斯定律麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式边界条件边界条件电磁波的性质电磁波的性质电磁波谱电磁波谱2021/9/124麦克斯韦

3、方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式2021/9/125麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 高斯定理高斯定理 斯托克斯定律斯托克斯定律高斯定理：高斯定理：斯托克斯定律：斯托克斯定律：2021/9/126麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式2021/9/127麦克斯韦方程组的物理意义麦克斯韦方程组的物理意义()式：电位移矢量或电感应强度的散度式：电位移矢量或电感应强度的散度等于电荷密度，即电等于电荷密度，即电 场为有源场。场为有源场。()式：磁感强度的散度为零，即磁场为式：磁感强度的散度为零，即磁场为无源场。

4、无源场。()式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。()式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。2021/9/128电场与磁场的激发电场与磁场的激发不符合右手法则（为负）不符合右手法则（为负）tB符合右手法则符合右手法则tD2021/9/129电磁波的传播电磁波的传播电场波源磁场磁场磁场磁场磁场电场电场电场2021/9/1210边界条件边界条件界面两侧电场的切向分量连续界面两侧电场的切向分量连续界面两侧磁场的切向分量发生了跃变界面两侧磁场的切向分量发生了跃变界面两侧电场的法向分量发生了跃变界面两侧电场的法向分量发生了跃变界面两侧磁场的法向

5、分量连续界面两侧磁场的法向分量连续 边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分重要。用对于解决实际问题十分重要。2021/9/1211平面电磁波的性质平面电磁波的性质电磁波是横波，电矢量电磁波是横波，电矢量E、磁矢量、磁矢量H和传播方和传播方向向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。为传播方向的单位矢量）两两垂直。E和和H幅度成比例

6、、复角相等幅度成比例、复角相等 电磁波的传播速度电磁波的传播速度2021/9/1212为什么说光波是电磁波为什么说光波是电磁波?1)根据麦氏方程推导根据麦氏方程推导,电磁波在真空中的速度为电磁波在真空中的速度为当时通过实验测得的真空中的光速也为当时通过实验测得的真空中的光速也为2)根据麦氏方程根据麦氏方程:电磁波在介质中的速度为电磁波在介质中的速度为（对于非铁磁质）（对于非铁磁质）根据光学中折射率的定义，则根据光学中折射率的定义，则2021/9/1213为什么说光波是电磁波为什么说光波是电磁波?如果光波是电磁波，比较上面两式：如果光波是电磁波，比较上面两式：而而当当时时测测得得的的无无极极分分

7、子子物物质质，按按上上式式计计算算的的折折射射率率与与测测量量的的折折射射率率能很好的符合。能很好的符合。当当时时测测得得的的为为有有极极分分子子物物质质，上上式式中中的的用用光光波波频频率率时时的的值值，则则上上式式就成立了。平时就成立了。平时在低频电场下测量。在低频电场下测量。所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。麦克斯韦麦克斯韦关系式关系式2021/9/1214第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源玻尔假说及玻尔频率条件玻尔假说及玻尔频率条件粒子数正常分布粒子数正常分布三种跃迁过程能级的寿命三种跃迁过程能级的寿命爱因斯坦公式及其系数之间的关系爱因斯坦公式

8、及其系数之间的关系粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大激光器的结构及各部分的功能激光器的结构及各部分的功能为什么四能级系统比三能级系统效率高为什么四能级系统比三能级系统效率高阈值条件阈值条件形成激光的条件形成激光的条件纵模和横模纵模和横模几种典型的激光器几种典型的激光器2021/9/1215E1E2E3激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说玻尔假说：玻尔假说：1）原子存在某些定态，在这些）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值取某些分立的值E1、E2、En，而不

9、能采取其它值。，而不能采取其它值。2）只有当原子从一个定态跃迁）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。收电磁辐射。电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射2021/9/1216激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说玻尔频率条件：玻尔频率条件：式中式中h为普郎克常数为普郎克常数：2021/9/1217激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说原子能级原子能级 原子从高能级向低能原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光级跃迁时，相当于光的的发射发射过程；而从低过程；而从低能级向高能级跃迁时，能级向高能级跃

10、迁时，相当于光的相当于光的吸收吸收过程；过程；两个相反的过程都满两个相反的过程都满足玻尔条件。足玻尔条件。基态：基态：能级能级中能量最低中能量最低E1E2E3激发态激发态2021/9/1218激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布波尔兹曼分布律：波尔兹曼分布律：若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律。设目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系的为原子体系的热平衡绝对温度；热平衡绝对温度；Nn为在能级为在能级En上的粒子数则上的粒子数则即随着能级增高，能级上的粒子数即随着能级增高，能级上的粒子数

11、Nn按指数规律减少，按指数规律减少，式中式中k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。2021/9/1219激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布 在热平衡状态中，高能级上的粒子数在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能一定小于低能级上的粒子数级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。，两者的比例由体系的温度决定。按这个正则分布规律：按这个正则分布规律：2021/9/1220三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)E2E1 若原子处于高能级若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级低能

12、级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时间，它的意义是在单位时间内，内，E2能级上能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果的比值。如果E2能级下只有能级下只有E1能级，则在能级，则在dt时间内，由高能级时间内，由高能级E2自发辐射到低能级自发辐射到低能级E1的粒子数记作的粒子数记作dN21：2021/9/1221三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)A21称为爱因斯坦系数，它可以理解为

13、称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个处于每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。自发跃迁的几率。自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即激励无关的过程，即A21只由原子本身性质只由原子本身性质决定。假设决定。假设E2能级只向能级只向E1能级跃迁，则能级跃迁，则2021/9/1222三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)-式式中中N20 为为t0 时时刻刻E2 能能级级上上的的粒粒子子数数，=1/A21 反反映映粒粒子子平平均均在在E2 能能级级上上的的寿寿命命。由由上上式式可可知知，自自发发跃

14、跃迁迁过过程程使使得得高高能能级级上上的的原原子子以指数规律衰减。以指数规律衰减。2021/9/1223能级的寿命能级的寿命粒子在粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称级上的平均寿命，简称寿命寿命。上式表明，上式表明，N2减少的快慢与减少的快慢与A21有关有关。自发辐射系。自发辐射系数数A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间 t 后，留在后，留在E2上的粒子数上的粒子数N2就愈少。令就愈少。令 =1/A21 反映粒子平均在反映粒子平均在E2能级上的寿命。它恰好是能级上的寿命。它恰好是E2上

15、上粒子数减少为初始时的粒子数减少为初始时的1/e 约约（36%）所用的时所用的时间。间。2021/9/1224能级的寿命能级的寿命于是有于是有由由上上式式可可以以看看出出，自自发发辐辐射射系系数数小小，自自发发辐辐射射的的过过程程就就慢慢，粒粒子子在在E2能能级级上上的的寿寿命命就就长长，原原子子处处在在这这种种状状态态就就比比较较稳稳定定。寿寿命命特特别别长长的的激激发发态态称称为为亚亚稳稳态态。其其寿寿命命可可达达10-31s，而而一一般般激激发发态态寿寿命仅有命仅有10-8s。2021/9/1225三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收)当当外外来来辐辐射射场场作作用用于于物物质质时

16、时，假假定定辐辐射射场场中中包包含含有有频频率率为为v（E2-E1）/h的的电电磁磁波波（即即有有能能量量恰恰好好为为hv E2-E1 的的光光子子），使使在在低低能能级级E1上上的的粒粒子子受受到到光光子子激激发发，可以跃迁到高能级可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。去，这个过程称为受激吸收。E2E12021/9/1226三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收)为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数B12。设设辐辐射射场场中中单单色色辐辐射射能能量量密密度度为为u(v)度度，则则在在单单位位体体积积中，从能级中，从能级 E1 跃迁到跃迁

17、到 E2 的粒子数为的粒子数为 B12 是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的间有一个确定的B12值。值。2021/9/1227三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收)U12 的的物物理理意意义义是是在在单单位位时时间间内内，在在单单色色辐辐射射能能量量密密度度u(v)的的光光照照下下，由由于于受受激激吸吸收收而而从从能能级级E1跃跃迁迁到到E2上上的的粒粒子子数数与与能能级级E1上上的的总总粒粒子子数数之之比比，也也可可以以理理解解为为每每一一个个处处于于能能级级E1的的粒粒子子，在在u(v)的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率

18、。的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。因因此此，受受激激吸吸收收的的过过程程是是一一个个既既与与原原子子性性质质有有关关，也也与与外外来来辐辐射场的射场的u(v)有关的过程。有关的过程。2021/9/1228三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射)当当外外来来辐辐射射场场作作用用于于物物质质时时，在在物物质质内内部部也也可可能能发发生生与与受受激激吸吸收收相相反反的的过过程程。爱爱因因斯斯坦坦根根据据量量子子理理论论指指出出，当当辐辐射射场场照照射射物物质质而而粒粒子子已已经经处处在在高高能能级级E2上上时时，这这时时会会发发生生一一个个十十分分重重要要的的过过程程受受激激辐辐射射过

19、过程程。如如果果外外来来光光的的频频率率正正好好等等于于（E2-E1）/h，由由于于受受到到入入射射光光子子的的激激发发，E2 能能级级上上的的粒粒子子会会跃跃迁迁而而回回到到E1 能能级级上上去去，同同时时又又放放出出一一个个光光子子来来，这这个个光光子子的的频频率率、振振动动方方向向、相相位位都都与与外外来来光光子子一一致致。这这是是一一个个十十分分重重要要的的概概念念，它它为为激激光光的的产产生生奠奠定定了了理理论基础。论基础。E2E12021/9/1229三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射)式式中中B21 叫叫做做爱爱因因斯斯坦坦受受激激辐辐射射系系数数，它它是是原原子子能能级

20、级系系统统本本身身的的特特征征参参数数；U21 则则表表示示在在单单位位时时间间内内，在在单单色色辐辐射射能能量量密密度度u(v)的的光光照照下下，由由于于受受激激辐辐射射而而从从高高能能级级E2 跃跃迁迁到到E1 的的粒粒子子数数与与E2 能能级级总总粒粒子子数数之之比比，也也就就是是在在E2 能能级级上上每每一一个个粒粒子子在在单单位位时时间间内内发发生生受受激激辐射的几率。辐射的几率。2021/9/1230三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射与自发辐射的区别受激辐射与自发辐射的区别)受受激激辐辐射射与与自自发发辐辐射射虽虽然然都都是是从从高高能能级级向向低低能能级级跃跃迁迁并并发发射射光光

21、子子的的过过程程，但但这这两两种种辐辐射射却却存存在在着着重重要要的的区区别别。最最重重要要的的区区别别在在于于光光辐辐射射的的相相干干性性，由由自自发发辐辐射射所所发发射射的的光光子子的的频频率率、相相位位、振振动动方方向向都都有有一一定定的的任任意意性性，而而受受激激辐辐射射所所发发出出的的光光子子在在频频率率、相相位位、振振动动方方向向上上与与激激发发的的光光子子高高度度一一致致，即即有有高高度度的的简简并并性性。一一般般说说在在自自发发辐辐射射过过程程中中，总总伴伴有有受受激激辐辐射射产产生生，辐辐射射场场越越强强，受受激激辐辐射也随之增加，自发辐射光功率射也随之增加，自发辐射光功率I

22、 I自自和受激辐射和受激辐射I I受受分别为分别为在在热热平平衡衡状状态态下下，受受激激辐辐射射是是很很弱弱的的，自自发发辐辐射射占占绝绝对对优优势势，但但在在激激光光器器中中，情情况况发发生生很很大大变变化化，这这时时已已不不是是热热平平衡衡状状态态，受受激激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。2021/9/1231激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 三种跃迁过程三种跃迁过程E2E1自发辐射自发辐射E2E1受激吸收受激吸收E2E1受激辐射受激辐射细致平衡细致平衡2021/9/1232激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和

23、应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式普朗克黑体普朗克黑体辐射公式辐射公式玻尔条件玻尔条件2021/9/1233激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式至此可以看出：至此可以看出：A21、B12、B21三三个个爱爱因因斯斯坦坦系系数数是是相相互互关关联联的的，它它们们之之间间存存在在着着内内在在的的联联系，决不是相互孤立的；系，决不是相互孤立的；对对一一定定原原子子体体系系而而言言，自自发发辐辐射射系系数数A与与受受激激辐辐射射系系数数B之之比比正正比比于于频频率率的的三三次次方方，因因而而E1与与E2能能级级差差越越大大，就就越越高高，A与与B的的比比值值也也就

24、就越越大大，也也就就是是说说越越高高越越易易自自发发辐辐射射，受受激激辐辐射射越越难难，一一般般地地，在在热热平平衡衡条条件件下下，受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。2021/9/1234激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数反转和光放大（1）当）当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，粒子数按时，粒子数按波尔兹曼正则分布。此波尔兹曼正则分布。此时有时有dNdN1212dNdN2121，宏观效果表现为光被吸收。，宏观效果表现为光被吸收。（2 2）当当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，高能级时，高能级E E2 2上的粒子数上

25、的粒子数N N2 2大于低能大于低能级级E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1，出现所谓的，出现所谓的“粒子数反转分布粒子数反转分布”情况。情况。形成激光的必要条件。形成激光的必要条件。此时有此时有dNdN2121dNdN12，宏观效果表现，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。为光被放大，或称光增益。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。2021/9/1235激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光器的基本结构激励能源激励能源激活介质激活介质光学谐振腔光学谐振腔R100%R为为80%90%使入射光得到使入射光

26、得到放大，是放大，是核心核心供给工作物质供给工作物质能量能量只让与反射镜轴向平行的光束只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。的激光输出。光抽运光抽运激光束2021/9/1236激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激活介质的粒子数反转与增益系数激活介质的粒子数反转与增益系数亚稳态基态激发态2021/9/1237三能级系统原理三能级系统原理 E E1 1为为基基态态，E E2 2、E E3 3 为为激激发发态态，中中间间能能级级E E2 2为为亚亚稳稳态态。在在泵泵浦浦作作用用

27、下下，基基态态E E1 1的的粒粒子子被被抽抽运运到到激激发发态态E E3 3上上，E E1 1上上的的粒粒子子数数N N1 1随随之之减减少少。但但由由于于E E3 3能能级级的的寿寿命命很很短短，粒粒子子通通过过碰碰撞撞很很快快地地以以无无辐辐射射跃跃迁迁的的方方式式转转移移到到亚亚稳稳态态E E2 2上上。由由于于E E2 2态态寿寿命命长长，其其上上就就累累积积了了大大量量的的粒粒子子，即即N N2 2大大于于N N1 1，于于是是实实现现了了亚亚稳稳态态E E2 2与与基基态态E E1 1间间的的粒粒子子数数反反转转分布。分布。2021/9/1238四能级系统原理四能级系统原理 三三

28、能能级级激激光光器器的的效效率率不不高高，原原因因是是抽抽运运前前几几乎乎全全部部粒粒子子都都处处于于基基态态，只只有有激激励励源源很很强强而而且且抽抽运运很快，才可使很快，才可使N N2 2 N N1 1，实现粒子数反转。，实现粒子数反转。四四能能级级系系统统是是使使系系统统在在两两个个激激发发态态E E2 2、E E1 1之之间间实实现现粒粒子子数数反反转转。因因为为这这时时低低能能级级E E1 1 不不是是基基态态而而是是激激发发态态，其其上上的的粒粒子子数数本本来来就就极极少少，所所以以只只要要亚亚稳稳态态E E2 2上上的的粒粒子子数数稍稍有有积积累累，就就容容易易达达到到N N2

29、2 大大于于N N1 1，实实现现粒粒子子数数反反转转分分布布，在在能能级级E E2 2、E E1 1 之之间间产产生生激激光光。于于是是，E E3 3 上上的的粒粒子子数数向向E E2 2 跃跃迁迁，E E1 1上上的的粒粒子子数数向向E E0 0 过过渡渡，整整个个过过程程容容易易形形成成连连续续反反转转，因因而四能级系统比三能级系统的效率高而四能级系统比三能级系统的效率高。2021/9/1239激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别反射率分别为为R1、R2，透射率分别透射率分别为为T1、T2 2021

30、/9/1240激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值p 要要使使光光在在这这个个过过程程中中产产生生的的增增益益大大于于其其损损耗耗，则则必须保证：必须保证：R2R1I1exp(2GL)I1,即即 R2R1exp(2GL)1 (2.15)p 对对于于给给定定的的谐谐振振腔腔R1、R2，L是是一一定定的的。从从上上式式可可见见，要要使使其其左左端端大大于于或或等等于于1，必必须须使使增增益益系系数数G大大于于某某个个最最低低值值Gm，这这个个使使（2.15）式式成成立立的的Gm值值，就就是是谐谐振振腔腔的的阈阈值值增增益益。（2.15）式式称称为为谐谐振振腔腔

31、的的阈阈值值条条件。件。2021/9/1241激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值综上所述，形成激光的必要条件有两个：综上所述，形成激光的必要条件有两个：在激光器工作物质内的某些能级间实在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布现粒子数反转分布激光器必须满足阈值条件激光器必须满足阈值条件 2021/9/1242激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 谐振腔的作用：谐振腔的作用：l使激光具有很好的方向性使激光具有很好的方向性；l使激光具有极好的单色性（频率选择器）；使激光具有极好的单色性（频率选择器）；2

32、021/9/1243激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模激光的纵模：激光的纵模：光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。激光的横模：激光的横模：激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。分布称为激光的横模。2021/9/1244激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。图图2-9是激光的几种横模图形，按其对称性可分为轴对是激光的几

33、种横模图形，按其对称性可分为轴对称横模图称横模图2-9(a)和旋转对称横模图和旋转对称横模图2-9(b)。轴对称轴对称 旋转对称旋转对称(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM102021/9/1245激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 激光的模式一般用激光的模式一般用TEMmnk表示，表示，TEM是是电磁横波的缩写，电磁横波的缩写，k为纵模数。在轴对称横模为纵模数。在轴对称横模中，中，m,n分别表示光束横截面内在分别表示光束横截面内在x方向和方向和y方方向出现的暗区（即节点

34、）数，如向出现的暗区（即节点）数，如TEM13，在，在x方向有方向有1个暗区，在个暗区，在y方向有方向有3个暗区；在旋转个暗区；在旋转对称横模中，对称横模中，m表示沿半径方向出现的暗环数，表示沿半径方向出现的暗环数，n表示圆中出现的暗直径数。如表示圆中出现的暗直径数。如TEM03，图中，图中无暗环，有三条暗直径。无暗环，有三条暗直径。2021/9/1246氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器在两方面有里程碑意义氦氖激光器在两方面有里程碑意义:一方面它第一次实现了连续性。一方面它第一次实现了连续性。固体激光器固体激光器都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光束有很多

35、好处，为应用开辟了广阔的道路。束有很多好处，为应用开辟了广阔的道路。另一方面证明了可以用放电方法产生激光另一方面证明了可以用放电方法产生激光，只要在两种不同的工作介质中选定适当的能只要在两种不同的工作介质中选定适当的能级，就有可能实现光的放大，为激光器的发级，就有可能实现光的放大，为激光器的发展展示了多种渠道的可能性。展展示了多种渠道的可能性。2021/9/1247激光的特性激光的特性 激光由于本身形成的特点，具有比激光由于本身形成的特点，具有比普通光源更为优良的性能。激光的特点普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为三点：可以归结为三点：单色性单色性方向性方向性高强度高强度本质：高度的相

36、干性本质：高度的相干性2021/9/1248激光的应用激光的应用激光加工激光加工 特征：特征：1、热加工方法、热加工方法，可加工高熔点、高硬度材料。，可加工高熔点、高硬度材料。2、无接触加工、无接触加工，加工机可适当地与加工材料分离，因此，加工机可适当地与加工材料分离，因此，有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行加工，在磁有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行加工，在磁场中也能进行加工。场中也能进行加工。3、多种材料的微细加工、多种材料的微细加工，可以较容易实现自动控制。能，可以较容易实现自动控制。能够对显像管这种被密封在透明容器里的产品进行修补、够对显像管这种被密封在透明容器里的产品进行修补、焊接。焊接。2021/9/1249激光在医学上的应用激光在医学上的应用大致分两类：大致分两类：利用激光的热效应；利用激光的热效应；利用激光光子能量的光化学效应。利用激光光子能量的光化学效应。前者的典型用例是利用红外激光手术刀前者的典型用例是利用红外激光手术刀进行外科手术，后者是利用紫外激光诊断、进行外科手术，后者是利用紫外激光诊断、治疗癌症。治疗癌症。2021/9/1250