第1章2激光原理.ppt

上节回顾 Whatislaser 种类繁多 应用多样基本结构 上节回顾 相干性 波列 普通光源 相干长度 最大波程差 波列长度 时间相干性 最大干涉级次 光源宽度的影响 上节回顾 相干性 相干面积 上节回顾 相干性 相干面积 相干体积 上节回顾 从光子角度看 测不准原理 个光子态 一个光子态占有的坐标空间体积 一 波干涉 相干性复习 二 相干条件 三 杨氏实验 四 普通光源发光特性 五 非单色性对衬比度的影响 六 光源的宽度对衬比度的影响 七 从光子角度看问题 八 从模式角度看问题 九 光模式与光子态的关系 十 相干与模式 光子态 八 从模式角度看问题 体积V DxDyDz空腔 模式驻波条件为 波矢k的三个分量 相邻模间隔 一个模式占有k空间体积元 相干性 八 从模式角度看问题 一个模式占有k空间体积元 相干性 一波矢k对应两个不同偏振方向的模 一个模式占有k空间体积元 波矢与动量有关系 一个模式占有k空间体积元 一波矢k对应两个不同偏振方向的模 相干性 八 从模式角度看问题 一个模式占有 在六维相空间 一个光波模与一个光子态占有同样体积光波模 光子态光波模内光子相同 相干性 十 相干与模式 光子态 一个光子态光源的体积 一个光子态 模式的光子都在一个相干体积内 相干 一个光子态光源 动量垂直分量 小 相干性 一个光子态光源的体积 一个光子态 模式的光子都在一个相干体积内 相干 相干性 测不准关系 个光子态占有六维相空间体积元 一个模式占有六维相空间体积元 一个光子态 模式的光 是相干光 一个模式 对应一个光子态 同相干态激光单模输出 输出相干光 What sthespecial 由于受激辐射 激光器可以有效地减少光波模式数降低光子态数 功率不大的激光器 由于只须摊到少数几个甚至一个模式上 同态光子数大 相干光强很大 较之普通光源 要高十几个数量级 方向性好 单色性好 高功率 相干性好 激光者光子简并度高也 WhatisLaser 光子 玻色子 十一 光子简并度 光子简并度 同运动状态的光子数 普通光源 1mW 102 光强 I nhv光源中光子数 nV IV hv光子简并度 HeNe 633nm 1mW 109 激光者光子简并度高也 WhatisLaser 光子 玻色子 热平衡时 服从玻色 爱因斯坦统计 十一 光子简并度 光子简并度 同运动状态的光子数 热平衡体系 平均光子简并度很低 WhatisLaser 普通热平衡热光源微波 室温T 300K 光子简并度为103 相干源远红外 室温T 300K 光子简并度为1 难相干可见光 室温T 300K 光子简并度为10 34可见光 光子简并度 1 温度T 5000K 激光非热平衡光源 由于受激辐射 激光器可以有效地减少光波模式数降低光子态数 功率不大的激光器 由于只须摊到少数几个甚至一个模式上 同态光子数大 相干光强很大 较之普通光源 要高十几个数量级 WhatisLaser 原子发光的三种跃迁过程 方式 受激吸收 原子的光激发 受激辐射 光放大 自发辐射 吸收后 发光后 发光后 受激辐射不仅实现了光放大 而且产生的是相干光 自发辐射 受激吸收和受激辐射 为何早没有激光 激光能够自然产生吗 根据玻尔兹曼分布律 具有能量Ei的原子数 在能级E1和E2的原子数之比 在能级E1 E2的 1eV T 300K 则原子数之比约为10 40 高能级上原子数目极少 对实现受激辐射很不利 产生激光的基本条件 受激辐射 吸收几率与对应原子数成正比 WhatisLaser 实现粒子数反转 利用激活介质 工作介质 并输入能量 必须采取特殊办法 h N1 N2 吸收为主 N2 N1 受激辐射为主 只有N2 N1才能产生光放大 WhatisLaser 粒子数反转 原子激发的几种基本方式 1 气体放电激发 2 原子间碰撞激发 3 光激发 光泵 三能级系统 四能级系统 WhatisLaser HowtostudyLaser 激光器结构 学会操作明白whytodoinsuchway 一 激光技术 Why 有如此现象介质如何发光 受何因素影响光与光腔如何作用 使得激光如此与众不同 二 激光原理 激光器中 及激光与物质作用 的物理现象 的理论 三 激光物理 光场与物质的近共振相互作用谐振腔理论 高斯光束激光放大和振荡原理激光输出特性 HowtostudyLaser 四 激光原理内容 HowtostudyLaser 目的是解释激光器中的物理现象光腔 电磁波模式增益介质 介质极化 谱线展宽 反转 速率方程关键 概念 思路 结果方法 预习 上课 质疑 实践 作业 实验 看文献 成绩 平时30 考试70 平时 课堂作业活动课堂 坐前排积极提问不缺课作业 每周一上课交作业 每人预备两个作业本 五 激光原理是技术基础 非系统 HowtostudyLaser 六 参考书1 PrincipleofLaser OrazioSvelto NewYork ADivisionofPlenumPublishingCo 19822 激光原理陈清蔚浙江大学3 激光原理顾丙昆国防出版社4 IntroductiontoOpticalElectronics 2ndEd AmnonYariv NewYork Halt RinehartandWinston19765 自编讲义 作业 目的 熟悉种类繁多的激光器要求 每人针对一种激光器检索 1 典型结构 激励方式 输出波长 连续or脉冲 2 最大输出功率3 最大相干长度4 最小发散角5 单模or多模 测不准关系 个光子态占有六维相空间体积元 一个模式占有k空间体积元 一个光波模 等效于一个光子态 光波模内都是相同的光子 一个模式占有六维相空间体积元 上节回顾 小 一个光子态光源的空间体积 一个光子态 模式的光子都在一个相干体积内 相干 上节回顾 一个光子态光源 动量垂直分量 激光单模输出 输出相干光 模式 光子态 等价概念一个模式 一个光子态 同相干态激光单模输出 输出相干光 方向性好 单色性好 强度大 相干性好 上节回顾 相干长度 WhatisLaser 模式数 所占体积 九 光源模式数 一个模式占有k空间体积元 体积V DxDyDz空腔 因 WhatisLaser V体积内n频率dn附近的模式数 应用情况不同 光源的光波模式数不同1 偏振 频率一定 有限传播方向瑞利衍射判据是分辨极限 光源发出的任两个光波模式在传输方向上至少相差一个衍射角 光束张立体角 光波模式数为 WhatisLaser 2 单位体积光源 整个立体角内的模式数距光源R处观察 一个衍射极限所对应立体角为 范围内 可分辨模式数为 单位体积光源 光源截面为单位面积 在整个空间立体角内 可分辨的模式数为 3 传播方向 偏振一定 频率不同相干长度为lc 可分辨频率差须大于 WhatisLaser 若光波的波列长度为单位长度