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1、激光原理第一节课2004年10月9日1*第1页，此课件共49页哦第一章 激光的物理基础n光的电磁波理论n光波的模式和光子的量子状态n光的相干性和相干体积n光子简并度n黑体辐射n光的自发辐射、受激吸收和受激辐射n激光的产生n激光器和激光的特性2004年10月9日2*第2页，此课件共49页哦黑体辐射的普朗克公式n黑体(绝对黑体)：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。绝对黑体示意图n黑体辐射：指黑体所发出的电磁辐射。黑体辐射的普朗克公式n(量子统计)单位频率间隔的能量密度：n吸收系数 ：物体在温度T时，入射到物体的表面上的波长为 的电磁辐射能量中，有 部分被吸收了2004年10月9日
2、3*第3页，此课件共49页哦光的自发辐射、受激辐射、受激吸收爱因斯坦在光量子理论的基础上，考虑了光和物质相互作用的模型(原子的两个能级)，引入了两个重要概念，同样得出了普朗克公式光的自发辐射在没有外界作用的情况下，原子从高能级E2向低能级E1的跃迁方式有两种：无辐射跃迁和自发辐射跃迁。自发辐射跃迁自发辐射光自发辐射光辐射出的光子能量：2004年10月9日4*第4页，此课件共49页哦光的自发辐射、受激辐射、受激吸收光的受激吸收受激吸收跃迁示意图入射光入射光当原子系统受到外来的能量为 的光子作用下，如果 ，则处于低能级 上的原子由于吸收一个能量为 的光子而受到激发，跃迁到高能级 上去的过程。200
3、4年10月9日5*第5页，此课件共49页哦光的自发辐射、受激辐射、受激吸收受激辐射跃迁示意图入射光入射光受激辐射光受激辐射光光的受激辐射光的受激辐射：当原子受外来的能量为 的光子激励下，从高能级 跃迁到低能级 ，原子发射一个与外来光子一模一样的光子的过程。入射光入射光2004年10月9日6*第6页，此课件共49页哦光的受激辐射和自发辐射的区别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。2004年10月9日7*第7页，此课件共49页哦光的受激辐射的特点通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。200
4、4年10月9日8*第8页，此课件共49页哦光的受激辐射放大称为激光n有一束能量为 的入射光子通过激活物质，光的受激辐射过程超过受激吸收过程，受激辐射占主导地位，光在激活物质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。：L Light ight A Amplification by mplification by S Stimulated timulated E Emission of mission of R Radiationadiation2004年10月9日9*第9页，此课件共49页哦激光的产生n当光与物质相互作用时，自发辐射、受激辐射和受激吸收这三
5、个过程是同时出现的，如何实现大量原子的受激辐射产生激光?2004年10月9日10*第10页，此课件共49页哦集居数反转分布(粒子数反转分布)在物质处于热平衡状态，各能级上的集居数服从波耳兹曼统计分布ni=C*exp(-Ei/kT)处于热平衡状态下个能级的粒子数分布示意图激光产生必须具备的前提条件2004年10月9日11*第11页，此课件共49页哦集居数反转是实现激光的必要条件由玻耳兹曼方程得到：正常粒子状态与粒子数反转状态对比示意图正常粒子状态下光的吸收总是大于光的受激辐射粒子数反转状态2004年10月9日12*第12页，此课件共49页哦泵浦(或抽运)的方法1.光泵浦2.放电泵浦3.化学反应泵
6、浦4.重粒子泵浦5.离子辐射泵浦2004年10月9日13*第13页，此课件共49页哦选取能实现粒子数反转的工作物质在一般情况下，大量原子处于基态，而处于激发态的时间很短，约为 ，不稳定。亚稳态不如基态稳定，但比激发态要稳定得多，如：具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转2004年10月9日14*第14页，此课件共49页哦红宝石激光器2004年10月9日15*第15页，此课件共49页哦光的自激振荡和激光谐振腔n光的自激振荡：光在增益介质内传播放大，总存在各种各样的光损耗，当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个稳定的极限值。n只要激光放大器的长度足够大，就可能成为一个自激振荡器，实现稳定运
7、转的激光振荡。n实际的激光振荡器是将具有一定长度的光学放大器放置在由两块镀有高反射率的反射镜所构成的光学谐振腔内。2004年10月9日16*第16页，此课件共49页哦激光产生的三个前提条件1.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(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构；2.有外界激励源，使激光上下能级之间产生集居数反转；3.有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。2004年10月9日17*第17页，此课件共49页哦第一章小结2004年10月9日18*第18页，此课件共49页哦第二章 光学谐振腔1.光学谐振腔的构成和作用2.光学谐振腔的模式3.光学谐振腔的损
8、耗，Q值及线宽4.光学谐振腔的几何光学分析5.光学谐振腔的衍射理论分析6.平行平面腔的Fox-Li数值迭代法7.稳定球面镜共焦腔8.一般稳定球面镜腔及等价共焦腔9.非稳定谐振腔10.选模技术2004年10月9日19*第19页，此课件共49页哦第一节 光学谐振腔的构成光学谐振腔的构成最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。常用的基本概念：光轴：光轴：光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线孔径孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。2004年10月9日20*第20页，此课件
9、共49页哦光学谐振腔的种类n谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔n开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、非稳定腔n反射镜形状，球面腔与非球面腔，端面反射腔与分布反馈腔n反射镜的多少，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔2004年10月9日21*第21页，此课件共49页哦闭腔、开腔、气体波导腔闭腔开腔气体波导腔固体激光器的工作物质通常具有比较高的折射率，因此在侧壁上将发生大量的全反射。如果腔的反射镜紧贴激光棒的两端，则在理论上分析这类腔时，应作为介质腔来处理。半导体激光器是一种真正的介质波导腔。这类光学谐振腔称为闭腔闭腔 这是激光技术历史上最早提出的平行平面腔（F-P腔）。后来又广泛采用了由
10、两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔。从理论上分析这些腔时，通常认为侧面没有光学边界，因此将这类谐振腔称为开放式光学谐振开放式光学谐振腔，简称开腔腔，简称开腔另一类光腔为气体波导激光谐振腔气体波导激光谐振腔，其典型结构是一段空心介质波导管两端适当位置放置反射镜。这样，在空心介质波导管内，场服从波导中的传播规律，而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。2004年10月9日22*第22页，此课件共49页哦稳定腔和非稳定腔看在腔内是否存在稳定振荡的高斯光束2004年10月9日23*第23页，此课件共49页哦由两块相距为L、平行放置的平面反射镜构成由两个以上的反射镜构成双凹球面镜腔：
11、由两块相距为L，曲率半径分别为R1和R2的凹球面反射镜构成R1+R2=LR1=R2=L一般球面腔RL2R平凹腔和凹凸平凹腔和凹凸与双凸腔图与双凸腔图2-2-1书中书中58页页2004年10月9日24*第24页，此课件共49页哦第一节 光学谐振腔的作用1.提供光学正反馈作用：使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。n影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：n组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。2.产生对振荡光束的控制作用改变腔的参数如
12、：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置1.有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性好、方向性强的相干光2.可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角3.可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率2004年10月9日25*第25页，此课件共49页哦研究光学谐振腔的目的n通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的要求2004年10月9日26*第26页，此课件共49页哦第二节 光学谐振腔的模式(波型)n在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征态之中，场的每种本征态将具有一定的振荡频率
13、和空间分布。n光学谐振腔的模式:谐振腔内可能存在的电磁场本征态。n模式与腔的结构之间具有依赖关系n光学谐振腔的模式分为：纵模和横模2004年10月9日27*第27页，此课件共49页哦谐振条件和驻波条件n驻波的定义：驻波的定义：二振幅相同的相干波，在同一直线上反向传播时迭加的结果称为驻波。平行平面腔中平面波的往返传播光腔中的驻波相位差：光学长度：驻波条件(光波波长和平行平面腔腔长)：谐振频率(频率和平行平面腔腔长)：2004年10月9日28*第28页，此课件共49页哦纵模-纵向的稳定场分布n激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布n整数q称为纵模的序数，驻波系统在腔的轴线上零场强度
14、的数目谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍）q阶纵模频率可以表达为：基纵模的频率可以表达为：纵模的频率间隔：2004年10月9日29*第29页，此课件共49页哦腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图2004年10月9日30*第30页，此课件共49页哦单频激光器和多模激光器nL=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器L=10厘米的He-Ne气体激光器L=30厘米的He-Ne气体激光器Ne原子的中心频率：Ne原子的中心波长：荧光光谱线宽：63282004年10月9日31*第31页，此课件共49页哦激光器中出现的纵模数n工作原子自发辐射的荧光线宽越大，
15、可能出现的纵模数越多。n激光器腔长越大，相邻纵模的频率间隔越小，同样的荧光谱线线宽内可以容纳的纵模数越多。2004年10月9日32*第32页，此课件共49页哦激光谐振腔内低阶纵模分布示意图2004年10月9日33*第33页，此课件共49页哦激光纵模分布示意图 2004年10月9日34*第34页，此课件共49页哦横模-横向X-Y面内的稳定场分布激光的模式用符号：TEMmnqq为纵模的序数(纵向驻波波节数)，m,n(p,l)为横模的序数。对于方形镜，M表示X方向的节线数，N表示Y方向的节线数；对于圆形镜，p 表示径向节线数，即暗环数，l表示角向节线数，即暗直径数基模(横向单模)：m=n=0,其它的
16、横模称为高阶横模方形反射镜和圆形反射镜的横模图形2004年10月9日35*第35页，此课件共49页哦2004年10月9日36*第36页，此课件共49页哦(c)TEM02(d)TEM03(a)TEM00(b)TEM102004年10月9日37*第37页，此课件共49页哦 横模电场分布及强度示意图(a)TEM(a)TEM0000 (b)TEM(b)TEM1010 (c)TEM(c)TEM20202004年10月9日38*第38页，此课件共49页哦激光谐振腔内电场横模分布示意图TEM002004年10月9日39*第39页，此课件共49页哦激光谐振腔内电场横模分布示意图TEM112004年10月9日4
17、0*第40页，此课件共49页哦激光多横模振荡示意图2004年10月9日41*第41页，此课件共49页哦横模(自再现模)的形成u1 u3 u2 u4 理想开腔：两块反射镜的直径为2a，间距为L横模(自再现模):在腔反射镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定场分布实际情况下，谐振腔的截面是受腔中的其他光阑限制的，67页的图2-2-5给出了孔阑传输线的自再现模的形成2004年10月9日42*第42页，此课件共49页哦激光模式的测量方法n横模的测量方法：在光路中放置一个光屏；拍照；小孔或刀口扫描方法获得激光束的强度分布，确定激光横模的分布形状n纵模的测量方法：法卜里珀洛F-P扫描干涉仪测量，实验中
18、利用球面扫描干涉仪2004年10月9日43*第43页，此课件共49页哦纵模的测量方法：球面扫描干涉仪测量测量原理：通过测量激光输出的频率谱来判定模式2004年10月9日44*第44页，此课件共49页哦球面扫描干涉仪两球面镜：组成无源腔小孔光阑：增加高次横模的衍射损耗压电陶瓷：通过改变电压而改变腔长因而导致改无源腔所允许通过激光频率改变示波器的锯齿波扫描电压，对激光允许通过的频率作周期性的扫描光电探测器：接收扫描到的激光频率双凸薄透镜：待测的激光光束变换为无源腔的高斯光束。使待测激光束的全部能量耦合到无源腔的基模中去。偏振器和1/4波片组成光学隔离器，防止光重新回到待测激光器中去2004年10月
19、9日45*第45页，此课件共49页哦小结：光学谐振腔的构成、分类、作用和模式纵模的频率间隔：q阶纵模频率可以表达为：2004年10月9日46*第46页，此课件共49页哦 例1 He-Ne 激光器谐振腔长50 cm，激射波长 632.8nm，荧光光谱线宽为：求：纵模频率间隔，谐振腔内的纵模序数及形成激光振荡的纵模数；解:2004年10月9日47*第47页，此课件共49页哦例：相邻纵模的波长差异已知：He-Ne激光器谐振腔长50 cm，若模式m的波长为 632.8 nm；计算：纵模 m+1 的波长；解答：纵模的频率间隔为：由：lm=0.6328000*10-6m可以得到：2004年10月9日48*第48页，此课件共49页哦例：相邻纵模的波长差异 由：故：lm=632.8000nm,lm+1=632.7996nm相邻纵模的波长差：lm-lm+1=4*10-13m则有：2004年10月9日49*第49页，此课件共49页哦