《第1章激光基本性质精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章激光基本性质精.ppt（119页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第1章激光基本性质第1页，本讲稿共119页(2)场频函数场频函数E():光场随频率变换的函数关系（场光场随频率变换的函数关系（场时函数的付里叶变换）时函数的付里叶变换）第2页，本讲稿共119页 2-1 0I()I00.5I0(3)强频函数强频函数(光谱光谱):光强随频率变换的函数关系光强随频率变换的函数关系(场频函数的模平方场频函数的模平方)(4)线宽线宽:强频函数峰值一半所对应的两频率之差强频函数峰值一半所对应的两频率之差第3页，本讲稿共119页3、本质、本质 反映光源的单色性反映光源的单色性二、空间相干性二、空间相干性(2)大小大小(1)定义定义 某时刻沿光传播方向两个不同地点光场有相干某
2、时刻沿光传播方向两个不同地点光场有相干性的最大空间间隔，即光波列长度性的最大空间间隔，即光波列长度1、纵向空间相干性、纵向空间相干性相干长度相干长度c:光在真空中的速度光在真空中的速度(3)本质本质 反映光源单色性反映光源单色性第4页，本讲稿共119页2、横向空间相干性、横向空间相干性相干面积相干面积(1)定义定义 某时刻在与光传播方向垂直的平面上使任意两某时刻在与光传播方向垂直的平面上使任意两点光场有相干性的最大空间面积点光场有相干性的最大空间面积(2)大小大小:光波长，光波长，As:光源面积光源面积 D:光源与平面距离光源与平面距离s1s2s2s1DO2a2b当当s2-s1=/2时时,O处
3、干涉条纹消失处干涉条纹消失证证第5页，本讲稿共119页第6页，本讲稿共119页第7页，本讲稿共119页第8页，本讲稿共119页第9页，本讲稿共119页第10页，本讲稿共119页第11页，本讲稿共119页第12页，本讲稿共119页3、本质、本质 反映光源尺寸反映光源尺寸s1s2s2s1DO2a2b第13页，本讲稿共119页三、光源单色性能参数三、光源单色性能参数1、定义、定义:光源谱线宽度光源谱线宽度,0:光源中心频率光源中心频率 :光源波长范围光源波长范围,0:光源中心波长光源中心波长2、计算、计算证证证证第14页，本讲稿共119页例例2 2 中心波长为中心波长为 0=0.5 m的的某光源单色
4、性参数为某光源单色性参数为R=10-5,求此光源的相干长度与相干时间求此光源的相干长度与相干时间解解 中心频率为中心频率为 0=5 108MHz的的某光源某光源,相干长度为相干长度为1m,求此光源的单色性参数求此光源的单色性参数R及线宽及线宽例例1 1解解第15页，本讲稿共119页例例3 某光源面积为某光源面积为As=10cm2,波长为波长为=5000,求距光源求距光源D=0.5m处的相干面积处的相干面积解解例例4 波长为波长为=4000的光子的光子,其单色性参数为其单色性参数为R=10-5,求此光子的位置不确定量求此光子的位置不确定量解解第16页，本讲稿共119页2 光波模式与光子态光波模式
5、与光子态一、光波模式一、光波模式2、光波矢量、光波矢量(k矢量矢量)3、单色模密度、单色模密度(1)定义定义dM:dV体积中频率为体积中频率为-+d 内的光波模式数内的光波模式数可以存在于封闭腔内的每一种单色平面驻波可以存在于封闭腔内的每一种单色平面驻波(2)计算计算1、定义、定义 ：光波等相位面传播方向的单位矢量：光波等相位面传播方向的单位矢量(3)单位单位 s m-3 第17页，本讲稿共119页证证 取长方体封闭腔，体积为取长方体封闭腔，体积为 v=x y z(m、n、qZ)每个模式在每个模式在k空间第一卦限内对应一个点空间第一卦限内对应一个点驻波条件驻波条件:zyx x z ykykzk
6、xk每个模式在每个模式在k空间占据体积为空间占据体积为kx:光波矢量的光波矢量的x分量，或光沿分量，或光沿x传播单传播单位距离所产生的相移位距离所产生的相移第18页，本讲稿共119页k-k+dk内的模式数：内的模式数：-+d 内的模式数：内的模式数：考虑到每个驻波有两种不同的偏振态，故单色模考虑到每个驻波有两种不同的偏振态，故单色模密度为密度为4、光波模式的相干性、光波模式的相干性 同一光波模式的光波是相干的同一光波模式的光波是相干的第19页，本讲稿共119页二、光子态二、光子态1、光子性质、光子性质(1)具有三量（能量、动量、质量）具有三量（能量、动量、质量）(2)服从玻色服从玻色-爱因斯坦
7、分布爱因斯坦分布 (3)具有两种独立的偏振态具有两种独立的偏振态2、光子态、光子态 无法区分的光子所处状态无法区分的光子所处状态同一状态的光子数无限制同一状态的光子数无限制h=6.63 10-34J s：普郎克常数：普郎克常数第20页，本讲稿共119页4、光子态的相干性、光子态的相干性同一光子态的光子是相干的同一光子态的光子是相干的 5、光子简并度、光子简并度(1)同一光子态的光子数同一光子态的光子数(2)同一光波模式中的光子数同一光波模式中的光子数3、光子态与光波模式的等价关系、光子态与光波模式的等价关系(2)同一光波模式中的光子为相同光子态同一光波模式中的光子为相同光子态(1)同一光子态的
8、光子属于相同的光波模式同一光子态的光子属于相同的光波模式第21页，本讲稿共119页例例1 求封闭腔在求封闭腔在5000 处的单色模密度处的单色模密度解解第22页，本讲稿共119页例例2 求求He-Ne激光器所发光子的能量、动量、激光器所发光子的能量、动量、质量质量(光波长为光波长为6328)解解第23页，本讲稿共119页3 自发辐射、受激辐射与受激吸收自发辐射、受激辐射与受激吸收 一、黑体单色辐射能量密度一、黑体单色辐射能量密度(普郎克公式普郎克公式)dE:dV体积中频率为体积中频率为-+d(-+d)内的辐射能量内的辐射能量1、定义、定义2、计算、计算证证分配到每一个模式上的能量分配到每一个模
9、式上的能量k=1.38 10-23焦焦/开开:波尔兹曼常数波尔兹曼常数,T:温度温度或或或或第24页，本讲稿共119页3、单位、单位 u:J s m-3,u:J m-44、实验定律、实验定律(1)斯特藩玻尔兹曼定律斯特藩玻尔兹曼定律辐射能量密度辐射能量密度(2)维恩定律维恩定律=5.67 10-8w/m3 K4 斯特藩常数斯特藩常数b=2.9 10-3m K维恩常数维恩常数 u T1T2(T2T1)m第25页，本讲稿共119页二、自发辐射跃迁二、自发辐射跃迁1、定义、定义发光粒子从高能级发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级自发跃迁到低能级E1,并发射并发射 一个频率为一个频率为 的光子的光子E
10、2E12、跃迁几率、跃迁几率(爱因斯坦系数爱因斯坦系数)(1)定义定义dn21:dt时间内由时间内由E2跃迁到跃迁到E1的粒子数密度的粒子数密度n2:E2能级的粒子数密度能级的粒子数密度(2)大小大小 2:能级寿命能级寿命(E2能级上的粒子数由能级上的粒子数由初始值减至其初始值减至其1/e所用时间所用时间)(Spontaneous emission)(3)单位：单位：s-1第26页，本讲稿共119页第27页，本讲稿共119页第28页，本讲稿共119页第29页，本讲稿共119页第30页，本讲稿共119页第31页，本讲稿共119页第32页，本讲稿共119页第33页，本讲稿共119页第34页，本讲稿
11、共119页第35页，本讲稿共119页第36页，本讲稿共119页第37页，本讲稿共119页第38页，本讲稿共119页第39页，本讲稿共119页证证n2(t)=n2(0)-n21(t)A21 2=1令令 则则第40页，本讲稿共119页三、受激辐射跃迁三、受激辐射跃迁1、定义、定义处于高能级处于高能级E2的发光粒子在的发光粒子在 光子诱发下光子诱发下,跃迁到低能级跃迁到低能级E1,并发并发射一个与诱发光子同一光子态的光射一个与诱发光子同一光子态的光子子E1E22、跃迁几率、跃迁几率(1)定义定义(2)大小大小B21:爱因斯坦系数爱因斯坦系数(m3 J-1 s-2或或m3/J s2)(Stimulat
12、ed emission)(3)单位：单位：s-1第41页，本讲稿共119页第42页，本讲稿共119页第43页，本讲稿共119页第44页，本讲稿共119页第45页，本讲稿共119页第46页，本讲稿共119页第47页，本讲稿共119页第48页，本讲稿共119页第49页，本讲稿共119页第50页，本讲稿共119页第51页，本讲稿共119页第52页，本讲稿共119页第53页，本讲稿共119页第54页，本讲稿共119页第55页，本讲稿共119页第56页，本讲稿共119页第57页，本讲稿共119页第58页，本讲稿共119页第59页，本讲稿共119页第60页，本讲稿共119页第61页，本讲稿共119页第62
13、页，本讲稿共119页第63页，本讲稿共119页第64页，本讲稿共119页第65页，本讲稿共119页第66页，本讲稿共119页第67页，本讲稿共119页第68页，本讲稿共119页四、受激吸收跃迁四、受激吸收跃迁1、定义、定义处于低能级处于低能级E1的发光粒子吸收了的发光粒子吸收了 光子后光子后,跃迁到高能级跃迁到高能级E2E1E22、跃迁几率、跃迁几率(1)定义定义(2)大小大小(Stimulated absorption)B12:爱因斯坦系数爱因斯坦系数(m3 J-1 s-2或或m3/J s2)(3)单位：单位：s-1第69页，本讲稿共119页第70页，本讲稿共119页第71页，本讲稿共119
14、页第72页，本讲稿共119页第73页，本讲稿共119页第74页，本讲稿共119页第75页，本讲稿共119页第76页，本讲稿共119页第77页，本讲稿共119页第78页，本讲稿共119页第79页，本讲稿共119页第80页，本讲稿共119页第81页，本讲稿共119页第82页，本讲稿共119页第83页，本讲稿共119页第84页，本讲稿共119页第85页，本讲稿共119页第86页，本讲稿共119页第87页，本讲稿共119页第88页，本讲稿共119页第89页，本讲稿共119页第90页，本讲稿共119页第91页，本讲稿共119页第92页，本讲稿共119页第93页，本讲稿共119页第94页，本讲稿共119页
15、第95页，本讲稿共119页五、爱因斯坦系数关系五、爱因斯坦系数关系证证(1)粒子数按能级分布粒子数按能级分布(2)热平衡条件热平衡条件第96页，本讲稿共119页(3)爱因斯坦系数关系爱因斯坦系数关系为使任意温度下该式成立为使任意温度下该式成立第97页，本讲稿共119页例例1 分别求氢原子在分别求氢原子在300K、30000K温度下温度下,处于基态与第一激发态的粒子数之比处于基态与第一激发态的粒子数之比.氢原子氢原子能级计算公式为能级计算公式为En=E1/n2,其中其中n为主量子数为主量子数,E1=-13.6ev为基态能级为基态能级.解解第98页，本讲稿共119页例例2 红宝石激光器中的发光粒子
16、红宝石激光器中的发光粒子Cr+3的上能的上能级寿命为级寿命为 2=3.3 10-3s,求自发辐射及受激辐求自发辐射及受激辐射爱因斯坦系数射爱因斯坦系数A21和和B21(=6943)解解第99页，本讲稿共119页例例3 CO2激光器激光器工作温度为工作温度为227,求谐振腔内辐射求谐振腔内辐射场的单色能量密度场的单色能量密度u u 和受激辐射跃迁几率和受激辐射跃迁几率W21 (B21=6 1020m3/J s2,=10.6 m)解解第100页，本讲稿共119页4 激光基本知识激光基本知识一、激光振荡器与激光放大器一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器、激光振荡器(激光器激光器)2、激光放大器、
17、激光放大器 二、产生与放大激光的条件二、产生与放大激光的条件 形成粒子数反转形成粒子数反转(上能级粒子数上能级粒子数下能级粒子数下能级粒子数)对输入的弱激光进行放大对输入的弱激光进行放大产生并输出激光产生并输出激光第101页，本讲稿共119页2、泵浦源、泵浦源(光泵、放电管光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转3、谐振腔、谐振腔(半反镜与全反镜半反镜与全反镜)(1)维持激光振荡维持激光振荡(2)改善激光质量如单色性、方向性改善激光质量如单色性、方向性(1)激活粒子激活粒子(分子、原子、离子分子、原子、离子)发光发光(2)基质基质 寄存激活粒子
18、的材料寄存激活粒子的材料1、激光工作物质、激光工作物质三、激光器构造三、激光器构造第102页，本讲稿共119页四、激光器种类四、激光器种类1、气体激光器、气体激光器(1)He-Ne 发光粒子为发光粒子为Ne原子原子,=6328(0.6328 m,632.8nm)(2)CO2 发光粒子为发光粒子为CO2分子分子,=10.6 m(106000,10600nm)电源电源全反镜全反镜半反镜半反镜放电管放电管2、固体激光器、固体激光器(1)红宝石红宝石 发光粒子为发光粒子为 (铬铬离子离子),光波长光波长0.6943 m电源电源全反镜全反镜半反镜半反镜激光晶体激光晶体光泵光泵(2)YAG 发光粒子为发光
19、粒子为 (钕离子钕离子),光波长光波长1.06 m(1=10-10m,1 m=10-6m,1nm=10-9m)第103页，本讲稿共119页3、液体激光器、液体激光器4、半导体激光器、半导体激光器五、能级系统五、能级系统1、三能级、三能级(红宝石红宝石)E1基态基态 (激光下能级激光下能级)E2亚稳态亚稳态 (激光上能级激光上能级)E3非稳态非稳态W13S32A21W21W12W13:泵浦几率泵浦几率S32:非辐射跃迁几率非辐射跃迁几率GaAsGaAsP-GaAsP-GaAsn-GaAsn-GaAs激光激光(1)侧面发光侧面发光(2)垂直腔面发光垂直腔面发光第104页，本讲稿共119页2、四能级
20、、四能级(He-Ne、YAG、CO2)W14:泵浦几率泵浦几率S43、S21:非辐射跃迁几率非辐射跃迁几率E2非稳态非稳态 (激光下能级激光下能级)E3亚稳态亚稳态 (激光上能级激光上能级)E4非稳态非稳态W14S43A32W32W23E1基态基态S21六、激光特性六、激光特性1、单色性好、单色性好2、方向性好、方向性好He-Ne激光器：激光器：R=10-12氪灯：氪灯：R=10-5直径直径1mm的的He-Ne激光器：发散角激光器：发散角=10-4rad探照灯：发散角探照灯：发散角=0.5rad第105页，本讲稿共119页4、亮度高、亮度高单位发光表面积在单位时间内沿给定单位发光表面积在单位时
21、间内沿给定方向上单位立体角内的发射能量大方向上单位立体角内的发射能量大3、相干性好、相干性好(1)时间相干性：单色性好时间相干性：单色性好(2)空间相干性：激光照射区域内任意两点的空间相干性：激光照射区域内任意两点的光场是相干的光场是相干的证证 lslcD=0.5 m,D=1m,As=1mm2例例普通光源普通光源激光器激光器第106页，本讲稿共119页5 谐振腔基本知识谐振腔基本知识一、激光本征模式一、激光本征模式1、本征纵模、本征纵模存在於腔内的每一种驻波光场存在於腔内的每一种驻波光场模序数模序数q:沿腔轴线的光场节点数沿腔轴线的光场节点数2、本征横模、本征横模存在於腔内的每一种横向光场分布
22、存在於腔内的每一种横向光场分布模序数模序数m、n:沿坐标方向的光场节线或节圆数沿坐标方向的光场节线或节圆数二、无源腔与有源腔二、无源腔与有源腔1、无源腔、无源腔 腔内激光工作物质未被激活腔内激光工作物质未被激活2、有源腔、有源腔 腔内激光工作物质已被激活腔内激光工作物质已被激活第107页，本讲稿共119页1、平均单程损耗率、平均单程损耗率(1)定义定义I0:初始光强初始光强,I1:往返一周后的光强往返一周后的光强(3)计算计算衍射损耗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由于衍射作用反射镜不能覆盖衍射光而造成的损耗(2)分类分类选择性损耗选择性损耗 损耗大小与横模有关损耗大小与横
23、模有关,如衍射损耗如衍射损耗非选择性损耗非选择性损耗 损耗大小与横模无关损耗大小与横模无关,如输出损耗如输出损耗L:腔长腔长,:光波长光波长,a:反射镜半径反射镜半径三、无源腔损耗三、无源腔损耗或或证证第108页，本讲稿共119页输出损耗输出损耗证证2a2(a+L)L设初始光强为设初始光强为I0则单程光强为则单程光强为由于反射镜透射光而造成的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两反射镜的反射率T:半反镜的透射率半反镜的透射率(r1=1,T=1-r2 0.05)或或第109页，本讲稿共119页证证设初始光强为设初始光强为I0则往返一周光强为则往返一周光强为I1=I0r1r
24、2若若r1=1,r2=1-T当当T0.05证证光往返光往返m次用时次用时2、腔寿命、腔寿命(1)定义定义 腔内光强从初始值衰减到它的腔内光强从初始值衰减到它的1/e所用时间所用时间(2)计算计算L:腔的光学长度腔的光学长度,c:真空光速真空光速即即往返往返m次光强次光强往返往返1次光强次光强第110页，本讲稿共119页3、腔、腔Q值值(1)定义定义 (2)计算计算四、无源腔光强四、无源腔光强1、往返、往返m次次E:储存在腔内的总能量储存在腔内的总能量P:单位时间损耗的能量单位时间损耗的能量:光频率光频率证证腔内能量与光强：腔内能量与光强：t时刻腔内损耗功率时刻腔内损耗功率:光子光子数密度数密度
25、,V:腔体积，腔体积，n:介质折射率介质折射率2、t时刻时刻第111页，本讲稿共119页五、无源腔本征纵模线宽五、无源腔本征纵模线宽1、定义、定义由于无源腔存在损耗由于无源腔存在损耗,使本征纵模谱线展宽后的线宽使本征纵模谱线展宽后的线宽2、计算、计算证证(1)场时函数场时函数E(t)tEE00e-t(2)场频函数场频函数E()第112页，本讲稿共119页(3)强频函数强频函数I()(4)线宽线宽第113页，本讲稿共119页六、本征纵模频间六、本征纵模频间相邻两个纵模的频率间隔相邻两个纵模的频率间隔2、计算、计算证证由驻波条件由驻波条件得本征纵模的频率为得本征纵模的频率为1、定义、定义第114页
26、，本讲稿共119页七、谐振腔的菲涅耳数七、谐振腔的菲涅耳数1、定义、定义2、意义、意义(1)平均单程衍射损耗率的倒数平均单程衍射损耗率的倒数(2)从镜面中心看另一镜面所分割的菲涅耳半波带数从镜面中心看另一镜面所分割的菲涅耳半波带数证证2aL:第115页，本讲稿共119页(3)镜面中心处的衍射光在腔内的镜面中心处的衍射光在腔内的 最大往返次数最大往返次数证证往返一次的偏移量往返一次的偏移量2ax L若往返若往返F次逸出腔外，则次逸出腔外，则第116页，本讲稿共119页例例1 谐振腔长谐振腔长L=50cm,固体激光介质棒长固体激光介质棒长l=30 cm,折射率为折射率为n=1.6,求本征纵模的频率
27、间隔求本征纵模的频率间隔解解L=0.31.6+(0.5-0.3)=0.68m例例2 谐振腔长谐振腔长L=50cm,反射镜面半径反射镜面半径a=2cm,光波长为光波长为4000,求此腔的菲涅耳数求此腔的菲涅耳数F解解第117页，本讲稿共119页例例3 谐振腔长谐振腔长L=1m,两反射镜的反射率分别两反射镜的反射率分别为为r1=80%和和r2=90%,其它损耗不计其它损耗不计,分别求光分别求光在腔内往返在腔内往返m=2周周,以及以及t=10-8秒时的光强是初秒时的光强是初始光强的倍数始光强的倍数解解第118页，本讲稿共119页例例4 激光器腔长激光器腔长L=1.2m,反射镜直径反射镜直径d=1cm,反射镜一个反射镜一个为全反、一个为半反为全反、一个为半反,输出镜反射率为输出镜反射率为96%,求由衍射求由衍射与输出损耗所产生的平均单程损耗率、腔寿命、腔与输出损耗所产生的平均单程损耗率、腔寿命、腔Q值以及本征纵模线宽值以及本征纵模线宽(光波长光波长=5000)解解第119页，本讲稿共119页