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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 必要条件必要条件第一页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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
2、居数反转）粒子数反转分布（集居数反转）激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第二页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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
3、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激光光振振荡。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式数数目减少。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。第三页，编辑于星期六：十六点 三十三分。(a)(a)激
4、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 第四页，编辑于星期六：十六点 三十三分。3.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光产生的充分条件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
5、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倍数。第五页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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
6、：产生激光振荡条件：第六页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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？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 增增大而减小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，形成了稳增益
7、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。定的激光输出。第七页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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小信号增益 与反转粒子数成与反转粒子数成正比正比 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。第八页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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
8、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。任一频率的光强增大，只对它和附近频率的增益有影响。第九页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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的内因；内
9、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、方方向向、单色性。单色性。第十页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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，对对外外来的光而言就变成了放大器。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
10、具有有较较长长停停留留时时间间或或较较小小自自发发辐辐射几率的能级。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不外外乎乎三能级或四能级结构。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。第十一页，编辑于星期六
11、：十六点 三十三分。（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第十二页，编辑于星期六：十六点 三十三分。（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，粒子数很少甚至没是激发态，不是基态，粒子数很少甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。第十三页，编辑于星期六：十六点
12、三十三分。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子数数反反转转分布的过程称为泵浦（激励）。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，阈值功率低，效泵浦装置简单，泵浦光束与腔模匹配良好，阈值功率低，效率高。率高。第十四页，编辑于星期六：十六点 三十三分。激光泵浦
13、液体激光器激光泵浦液体激光器 第十五页，编辑于星期六：十六点 三十三分。(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中的电中的快速电子直接轰击快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子数反转。或共振能量转移完成粒子数反转。(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反转转的的泵浦方式，化学激光器就是这类泵浦方式。泵浦方式，化学激光器就是这类泵浦方式。第十六
14、页，编辑于星期六：十六点 三十三分。泵浦方式因工作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。第十七页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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
15、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反射固体激光材料，光线在侧壁发生全内反射第十八页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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，是低损耗腔。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。第十九页，编辑于星期六：十六点 三十三分。(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
16、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侧侧面面逸逸出出腔腔外外，因因而而这类腔具有较高的几何损耗，但光束空间质量好。这类腔具有较高的几何损耗，但光束空间质量好。第二十页，编辑于星期六：十六点 三十三分。典型的非稳定腔有双凸腔、平凸腔、平凹腔、双凹腔、非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。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第二十一页，编辑于星期
17、六：十六点 三十三分。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。第二十二页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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、
18、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黄光黄光第二十三页，编辑于星期六：十六点 三十三分。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：自锁模飞秒激光器第二十四页，编辑于星期六：十六点 三十三分。选择性损耗选择性损耗几何损耗：几何损耗：腔的类型，几何尺寸腔的类型，几何尺寸衍射损耗衍射损耗：腔镜边缘的衍射效应腔镜边缘的衍射效应非选择性损耗非选择性损耗腔镜反射不完全引起的损耗：腔镜反射不完全引起的损耗：透射输出损耗透射输出损耗非激活吸收散射：非激活吸收散射：镜的吸
19、收、散射、透射镜的吸收、散射、透射4.谐振腔的损耗与谐振腔的损耗与Q值值（1 1）腔的损耗）腔的损耗 （2 2）平均单程损耗因子）平均单程损耗因子总损耗因子为腔内各损耗因子之和。总损耗因子为腔内各损耗因子之和。第二十五页，编辑于星期六：十六点 三十三分。（3 3）腔的品质因数）腔的品质因数Q Q值值 品质因数品质因数储存在腔内的总能量储存在腔内的总能量单位时间内损耗的能量单位时间内损耗的能量损耗越小，光子寿命越长，损耗越小，光子寿命越长，Q Q值越高。值越高。（4 4）损耗举例）损耗举例 （a）腔镜倾斜引起的损耗）腔镜倾斜引起的损耗 -可以减小或避免可以减小或避免第二十六页，编辑于星期六：十六
20、点 三十三分。红色是暗环红色是暗环（b b）衍射损耗）衍射损耗第二十七页，编辑于星期六：十六点 三十三分。（c）透射损耗）透射损耗当当 ，时，有：时，有：在实际使用中，一个反射镜为全反射镜，另一个为输出镜，在实际使用中，一个反射镜为全反射镜，另一个为输出镜，则则 设两个反射镜的反射率分别为设两个反射镜的反射率分别为 ，则初始光强为，则初始光强为 的光在腔内往返一周，经两个镜面反射后，光强变为：的光在腔内往返一周，经两个镜面反射后，光强变为：第二十八页，编辑于星期六：十六点 三十三分。稳定工作状态稳定工作状态3.4.2 3.4.2 激光器的输出激光器的输出1.1.输出功率输出功率小信号增益大于增
21、益阈值，即小信号增益大于增益阈值，即,腔内光强增大腔内光强增大增益系数增益系数 下降（下降（增益饱和作用增益饱和作用）均匀加宽介质：均匀加宽介质：第二十九页，编辑于星期六：十六点 三十三分。S S激光束的有效截面面积，激光束的有效截面面积，T T透过率；透过率；输出镜的最佳透射率：输出镜的最佳透射率：输出功率输出功率-除输出损耗以外的其它往返损耗率，除输出损耗以外的其它往返损耗率，最大输出功率：最大输出功率：提高激光器的输出功率的方法：提高激光器的输出功率的方法：1.加大外界泵浦激励作用，从而增大加大外界泵浦激励作用，从而增大 ；2.减小谐振腔的往返净损耗减小谐振腔的往返净损耗 ，透射损耗除外
22、；，透射损耗除外；3.加大激光工作物质的长度和面积加大激光工作物质的长度和面积S。第三十页，编辑于星期六：十六点 三十三分。3.4.2 激光器的输出激光器的输出2.输出模式输出模式激光器的输出激光器的输出一般一般由许多不同频率分量和不同光场分布由许多不同频率分量和不同光场分布模模式组成。式组成。模式：模式：能在腔内存在的、稳定的光波基本形式，包含：能在腔内存在的、稳定的光波基本形式，包含：(1)有确定的频率；有确定的频率；(2)振幅和相位在空间的相对分布是确定的，不随时间改变。振幅和相位在空间的相对分布是确定的，不随时间改变。表示表示 ：m，n，q 可分别取可分别取 等整数，等整数，一组一组m
23、，n，q 对应一种模式。对应一种模式。M，n：垂直腔轴平面内的光场分布情况，称：垂直腔轴平面内的光场分布情况，称横模阶数横模阶数；q：光腔轴向形成的驻波节点数目，称：光腔轴向形成的驻波节点数目，称纵模阶数纵模阶数。三者共同决定该模式的振荡频率。三者共同决定该模式的振荡频率。第三十一页，编辑于星期六：十六点 三十三分。腔的结构腔的结构确定确定模式特征模式特征驻波与谐振频率：驻波与谐振频率：激激光光器器内内两两个个相相反反方方向向传传播播的的光光叠叠加加成为满足一定相位条件的驻波。成为满足一定相位条件的驻波。1 1）纵模）纵模驻波条件：驻波条件：谐振条件：谐振条件：由由整整数数 q所所表表征征的的
24、腔腔内内纵纵向向的的稳稳定定场场分分布布称称为为激激光光的的纵纵模模。q称称为为纵模的序数，表示波节数量，对应不同的谐振频率。纵模的序数，表示波节数量，对应不同的谐振频率。第三十二页，编辑于星期六：十六点 三十三分。整数整数 所表征的腔内纵向稳定场分布所表征的腔内纵向稳定场分布纵模间隔：纵模间隔：纵模在频率尺度上是等距离的，腔长越小，纵模间隔越大。纵模在频率尺度上是等距离的，腔长越小，纵模间隔越大。由由于于波波长长很很小小，腔腔长长相相对对很很大大，整整数数q值值很很大大，即即腔腔内内波波腹数很多，达数万到数十万个波腹。腹数很多，达数万到数十万个波腹。满足谐振条件的谐振频率很多，但由于粒子发光
25、的荧光谱满足谐振条件的谐振频率很多，但由于粒子发光的荧光谱线宽度有限，必须落在荧光线宽内而且满足谐振条件的纵模才线宽度有限，必须落在荧光线宽内而且满足谐振条件的纵模才能形成激光输出。能形成激光输出。实际振荡纵模数为实际振荡纵模数为：式中，式中，表示对其内部分取整，表示对其内部分取整，为增益线宽。为增益线宽。第三十三页，编辑于星期六：十六点 三十三分。例：例：HeNe激光器，激光器，当，当 和和 时，时，激光器中分别可能出现几个纵模的激光？激光器中分别可能出现几个纵模的激光？（已知（已知Ne原子自发辐射的中心频率原子自发辐射的中心频率 ，荧光光谱增益线宽荧光光谱增益线宽 ）解：解：一个纵模（一个
26、纵模（单纵模单纵模）三个纵模（三个纵模（多纵模多纵模）结论：结论：1.工工作作原原子子（分分子子、离离子子）自自发发辐辐射射的的荧荧光光线线宽宽 越越大大，可能出现的纵模数越多。可能出现的纵模数越多。2.激激光光器器腔腔长长 越越大大，相相邻邻纵纵模模的的频频率率间间隔隔 越越小小，因因而而同同样样的的荧荧光光谱谱线线宽宽度度内内可可容容纳纳的纵模数越多。的纵模数越多。第三十四页，编辑于星期六：十六点 三十三分。在激光器中，来回反射能保持住的光场横向分布。在激光器中，来回反射能保持住的光场横向分布。2)2)横模横模 矩形腔矩形腔 圆形腔圆形腔mx方向节线数方向节线数ny方向节线数方向节线数对于
27、矩形腔：对于矩形腔：对于圆形腔：对于圆形腔：m径向径向节线数节线数n角角向节线数向节线数第三十五页，编辑于星期六：十六点 三十三分。第三十六页，编辑于星期六：十六点 三十三分。（a）z=0处处 的光波电场表示式为：的光波电场表示式为：振幅部分为高斯函数振幅部分为高斯函数，当，当 时，即在半径为时，即在半径为 处处，振振幅幅分分布布减减小小到到中中心心部部分分的的 倍倍。由由上上可可知知：基基模模是是一一个个圆圆形形光光斑斑，中中心心部部分分最最亮亮，向向外外逐逐渐渐减减弱弱。但但无无清清晰晰的的边边缘缘。通通常常将将波波振振幅幅下下降降到到其其中中心心值值的的 处处的的光光斑斑半半径径 作作为
28、为光光斑斑尺寸大小的尺度，称为束腰半径。尺寸大小的尺度，称为束腰半径。（1）基横模）基横模矩形腔和圆形腔的基横模相同矩形腔和圆形腔的基横模相同高斯光束高斯光束第三十七页，编辑于星期六：十六点 三十三分。（b b）距离光腰距离光腰z z处：处：光斑半径光斑半径 波阵面曲率半径波阵面曲率半径 等位相面的分布等位相面的分布第三十八页，编辑于星期六：十六点 三十三分。基模光斑半径随基模光斑半径随z z按双曲线规律的变化按双曲线规律的变化显然，显然，高斯光束在高斯光束在z=0z=0处光斑最小，处光斑最小，束腰半径为束腰半径为 ，随着，随着z z增大，增大，也增大，这表示也增大，这表示光束逐渐发散。光束逐
29、渐发散。光线的传播方向是两条双曲线，光线的传播方向是两条双曲线，双曲线的渐近线与双曲线的渐近线与z z轴交角为轴交角为 ：重要特征：发散角与束腰半径成反比。重要特征：发散角与束腰半径成反比。第三十九页，编辑于星期六：十六点 三十三分。(2)m和和n不同时为零的高阶横模不同时为零的高阶横模 矩形腔和圆形腔的高阶横模的光场分布不同。高阶模的光束尺寸矩形腔和圆形腔的高阶横模的光场分布不同。高阶模的光束尺寸和发散角可通过基模的参数求出。和发散角可通过基模的参数求出。光斑半径光斑半径发散角发散角光斑半径随光斑半径随m m、n n而增大；而增大；高阶模高阶模m m角向节线数角向节线数n n径向节圆数径向节
30、圆数出现节线或节圆出现节线或节圆无解析表达式无解析表达式对于圆形腔：对于圆形腔：对于矩形腔：对于矩形腔：第四十页，编辑于星期六：十六点 三十三分。3 3）基膜束腰半径和位置的求解）基膜束腰半径和位置的求解 对对于于一一个个稳稳定定球球面面腔腔，基基模模束束腰腰半半径径和和束束腰腰位位置置是是至至关关重重要要的的。高高斯斯光光束束的的其其它它参参数数，如如任任一一位位置置的的光光斑斑半半径径、等等相相位位面面曲曲率率半半径径、发散角都可以用它表示。发散角都可以用它表示。光腰半径：光腰半径：任一位置的光束半径：任一位置的光束半径：波阵面曲率半径：波阵面曲率半径：第四十一页，编辑于星期六：十六点 三
31、十三分。例：例：有一球面腔，有一球面腔，R11.5m，R21m，L80cm，波长，波长500nm。求出光腰半径及位置；在图上光腰的具体位置。求出光腰半径及位置；在图上光腰的具体位置。解：解：光腰半径：光腰半径：第四十二页，编辑于星期六：十六点 三十三分。镜面上光斑半径：镜面上光斑半径：光束发散角：光束发散角：第四十三页，编辑于星期六：十六点 三十三分。3.5 3.5 激光的特点激光的特点 1.1.方向性好方向性好 由由于于谐谐振振腔腔对对光光振振荡荡方方向向的的限限制制，激激光光只只有有沿沿腔腔轴轴方方向向受受激激辐辐射才能振荡放大，所以激光束具有很高的方向性。射才能振荡放大，所以激光束具有很
32、高的方向性。激激光光光光束束发发散散角角在在毫毫弧弧度度量量级级，激激光光的的高高方方向向性性使使其其能能长长距距离传输，能聚焦很小，提高功率密度。离传输，能聚焦很小，提高功率密度。发发散散角角受受到到衍衍射射极极限限的的限限制制。基基模模高高斯斯光光束束的的发发散散角角已已接接近近衍衍射射极限。极限。2.2.单色性好单色性好普通光源某一条谱线普通光源某一条谱线第四十四页，编辑于星期六：十六点 三十三分。或或单色性可表示为：单色性可表示为：单色型最好的普通光源单色型最好的普通光源氪同位素氪同位素8686：氦氖激光器：氦氖激光器：3.3.相干性好相干性好相干条件：相干条件：振动方向相同、频率相同
33、、相位差恒定振动方向相同、频率相同、相位差恒定 普普通通光光源源是是自自发发辐辐射射过过程程，不不同同发发光光中中心心发发出出的的波波列列，或或同同一一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随机的。发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随机的。激光激光是受激辐射过程，每个光子的运动状态都相同。是受激辐射过程，每个光子的运动状态都相同。第四十五页，编辑于星期六：十六点 三十三分。1）时间相干性）时间相干性 相干时间：沿光束传播方向上同一空间点在不同时刻光波相干时间：沿光束传播方向上同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性，等于波列的时间长度。场之间的相干性，等于波列的时间长度。相干时间和单色性之间关系
34、：相干时间和单色性之间关系：相干长度指可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相相干长度指可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔，即光源发出的光波列长度。干性的最大空间间隔，即光源发出的光波列长度。光单色性越好，相应相干时间和相干长度越长，相干性越好。光单色性越好，相应相干时间和相干长度越长，相干性越好。如如 ,Lc=78cm,Lc=78cm，；氦氖激光器氦氖激光器 ，第四十六页，编辑于星期六：十六点 三十三分。第四十七页，编辑于星期六：十六点 三十三分。2 2）空间相干性）空间相干性 空间相干性指光场中不同的空间点在同一时刻光场的相干性，可空间相干性指光场中不同的空
35、间点在同一时刻光场的相干性，可以用相干面积来描述：以用相干面积来描述：u 对于普通光源，线度对于普通光源，线度 内发出的光，过距离内发出的光，过距离R R处间距为处间距为d d的两狭缝，产生干涉的条件是：的两狭缝，产生干涉的条件是：u 对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间相干对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。第四十八页，编辑于星期六：十六点 三十三分。4 4、亮度、亮度单位面积光源表面在其单位面积光源表面在其法线方向法线方向单位立体角内传送的光功率。单位立体角内传送的光功率。面积面积 ，方位角，方位角 、立体角、立体角 处能量处能量 ，则其方向，则其方向亮度亮度 空间高度集中：空间高度集中：单色亮度比太阳表面高单色亮度比太阳表面高 倍。倍。时间高度集中：时间高度集中：功率峰值可达功率峰值可达 瓦。瓦。单色亮度单色亮度第四十九页，编辑于星期六：十六点 三十三分。