【学习】第一章激光的原理及技术基础

1、激光原理技术及应用激光原理技术及应用激光原理技术及应用激光原理技术及应用引言引言v教学目的教学目的：通过这门课程的学习，使同学们可：通过这门课程的学习，使同学们可以了解和掌握激光器的一些基本原理和基本技以了解和掌握激光器的一些基本原理和基本技术，培养同学们分析解决有关激光物理问题的术，培养同学们分析解决有关激光物理问题的能力，这门课特别强调了物理概念的深入理解，能力，这门课特别强调了物理概念的深入理解，为今后从事光信息方向的科研、教学、工作打为今后从事光信息方向的科研、教学、工作打下扎实的理论基础下扎实的理论基础v考核方式考核方式：闭卷考试：闭卷考试(70%)+平时成绩平时成绩(30%)目录目

2、录v第第1章激光的原理及技术基础章激光的原理及技术基础v第第2章章 激光工作物质及基本原理激光工作物质及基本原理v第第3章章 光学谐振腔光学谐振腔v第第4章章 激光器工作原理激光器工作原理v第第5章章 典型的激光器件典型的激光器件v第第6章章 其他激光器其他激光器v第第7章章 激光技术激光技术v第第8章光电技术器的设计及参数选用原则章光电技术器的设计及参数选用原则激光简介激光简介v激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明最快的刀-激光的功率可以集中在极小的空间范围内，如激光切割、激光手术、激光武器的应用；最准的尺-激光可以很准确的测量距离，在光学测距仪中是数一数二的

3、；最亮的光-激光的强度约是太阳光的100亿倍；激光的起源激光的起源v起源：起源：1917年爱因斯坦提出了一套全新的技年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论术理论光与物质相互作用光与物质相互作用。这一理论是说。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个同性质的光，而且在某

4、种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激受激辐射的放大光辐射的放大光”，简称激光。，简称激光。 这一理论是现代激光系统的物理学基础这一理论是现代激光系统的物理学基础激光的发展激光的发展v 1953年：美国物理学家年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）v 1957年：年：Townes的博士生的博士生Gordon Gould创造了创造了“laser”这个单这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束词

5、，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束v 1960年：美国年：美国Theodore Maiman实现了第一束激光实现了第一束激光v 1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。v 1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。v 1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。v 1971年：激光进入艺术世

6、界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。v 1974年：第一个超市条形码扫描器出现年：第一个超市条形码扫描器出现v 1975年：年：IBM投放第一台商用激光打印机投放第一台商用激光打印机v 1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机）播放机v 1982年：第一台紧凑碟片（年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现。）播放机出现。v 1983年：里根总统发表了年：里根总统发表了“星球大战星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光的演讲，描绘了基于太空的激光武器武器v 1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用

7、光脉冲来传输数据。年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。v 1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造v 1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。v 1996年：东芝推出数字多用途光盘（年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器）播放器v 2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤瘤激光的原理早在 1916 年已被爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功

8、制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。第一章第一章 激光原理及技术基础激光原理及技术基础1.1 激光的特点激光的特点v激光的定义：通过受激发射的放大光激光的定义：通过受激发射的放大光 laser-light amplification by stimulated emission of radiationv 激光的特点激光的特点高方向性高方向性普通光源是向

9、四面八方发光的，如太阳光和灯光等。要让发射的光朝着一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如探照灯和汽车的车前灯都是安装有聚光作用的反光镜，使光汇集起来向一个方向射出。激光器发出的激光，天生就是朝一个方向射出，光速的发散角度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。v 例如：例如：1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其

10、光斑直径将覆盖整个月球。盖整个月球。v 应用：由于光能集中在很小的空间传播，能在远距离获得强度很大应用：由于光能集中在很小的空间传播，能在远距离获得强度很大的光束，从而可以进行远距离激光通信、测距、导航灯；另外利用的光束，从而可以进行远距离激光通信、测距、导航灯；另外利用激光的高方向性，还可以为导弹、炸弹瞄准，做到指哪打哪，百发激光的高方向性，还可以为导弹、炸弹瞄准，做到指哪打哪，百发百中。百中。高单色性高单色性v光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色波长对应一定的颜色v光的波长范围越窄，单色性越好光的波长范围越窄，单色性越好v太阳辐

11、射出的可见光段的波长分布范围约在太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至微米至0.4微米之间，不具有单色性微米之间，不具有单色性v氪灯是单色性最好的，只发射红光，单色性很氪灯是单色性最好的，只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，但是他的波长仍有一好，被誉为单色性之冠，但是他的波长仍有一定的分布范围，若仔细辨认仍包含有几十种红定的分布范围，若仔细辨认仍包含有几十种红色色v氦氖激光器的波长分布范围可窄到氦氖激光器的波长分布范围可窄到210-9nm，是氪灯的是氪灯的2/10000v激光器的单色性远远超过任何一种单色光源激光器的单色性远远超过任何一种单色光源高亮度高亮度v普通光源中氙灯

12、的亮度最高，与太阳的亮度不普通光源中氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下相上下v激光的亮度是太阳光的激光的亮度是太阳光的100亿倍甚至更高，被亿倍甚至更高，被称为称为”最亮的光最亮的光“v激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在极小的空间范围内，被称为极小的空间范围内，被称为”最快的刀最快的刀“高相干性高相干性v光的相干性：光的相干性：振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定 相干性主要是描述光波各个部分的相位关系相干性主要是描述光波各个部分的相位关系空间相干性：空间相干性：在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光

13、之间的在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性，描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系。通常用相相干性，描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系。通常用相干面积来表征。发散角越小，相干面积越大，空间相干性也就越好。干面积来表征。发散角越小，相干面积越大，空间相干性也就越好。 S相干相干=(/)2时间相干性：时间相干性：在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在数量级上，相干相干性。它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在数量级上，相干时间是光波频率宽度时间

14、是光波频率宽度v的倒数。对理想的单色光，的倒数。对理想的单色光，v=0，因为它具有，因为它具有精确的频率值。于是它的相干时间为无穷大，具有最好的时间相干性。单精确的频率值。于是它的相干时间为无穷大，具有最好的时间相干性。单色性越高，相干时间越长色性越高，相干时间越长 相干相干=1/ 高光子简并度高光子简并度v光子简并度：它表示有多少个性质完全相同的光子简并度：它表示有多少个性质完全相同的光子（具有相同的能量、动量与偏振）共处于光子（具有相同的能量、动量与偏振）共处于一个波型之内，这种处于同一光姿态的光子数一个波型之内，这种处于同一光姿态的光子数就称为光子简并度。就称为光子简并度。 同态光子数同

15、态光子数 同一模式内的光子数同一模式内的光子数 处于相干体积内内的光子数处于相干体积内内的光子数 处于同一相格内的光子数处于同一相格内的光子数v激光具有高光子简并度，普通光源具有低光子激光具有高光子简并度，普通光源具有低光子简并度简并度v高光子简并度是激光的一个基本特征，是区别高光子简并度是激光的一个基本特征，是区别于普通光源的重要特点。于普通光源的重要特点。v高光子简并度在宏观上表现为极好的方向性、高光子简并度在宏观上表现为极好的方向性、单色性、高亮度和相干性。单色性、高亮度和相干性。v前面的四种观点都是从宏观特性的不同方面来前面的四种观点都是从宏观特性的不同方面来考虑的，激光的本质是高光子

16、简并度。考虑的，激光的本质是高光子简并度。v激光的发展：激光的光子简并度的再提高。激光的发展：激光的光子简并度的再提高。1.2 激光的产生激光的产生v激光也是一种光，和普通光源如太阳、火焰、白炽激光也是一种光，和普通光源如太阳、火焰、白炽灯等所发的光没有什么本质上的差别。灯等所发的光没有什么本质上的差别。v激光有高方向性、高单色性、高亮度、相干性等显激光有高方向性、高单色性、高亮度、相干性等显著的特点。这些特点是由激光的发光机理与激光器著的特点。这些特点是由激光的发光机理与激光器的特殊结构所决定的。的特殊结构所决定的。v各种发光现象都与光源内部原子、分子的运动状态各种发光现象都与光源内部原子、

17、分子的运动状态的变化有关的变化有关 原子的能量和能级原子的能量和能级原子能级原子能级电子围绕原子核不停的运动 动能原子核与电子相互吸引 位能】原子内能原子内部各个电子绕原子核做轨道运动的同时，还做自旋运动。自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射自发辐射受激辐射 处于基态的原子，由于受到外界的激发，原子就可处于基态的原子，由于受到外界的激发，原子就可以跃迁到较高能量的激发态，原子的这种能态的变化过以跃迁到较高能量的激发态，原子的这种能态的变化过程称为激发过程。但是处在激发态的原子是不稳定的，程称为激发过程。但是处在激发态的原子是不稳定的，它们在激发态停留的时间很短，大约在它们在激发态停留的时间很短

18、，大约在 1010-8-8s s数量级，即数量级，即激发态的寿命约为激发态的寿命约为1010-8-8s s，再没有任何外界作用的情况下，再没有任何外界作用的情况下，它们会自发的从高能级跃迁到低能级状态或基态，并辐它们会自发的从高能级跃迁到低能级状态或基态，并辐射出一个光子，这样的辐射称为自发辐射射出一个光子，这样的辐射称为自发辐射（Spontaneous radiation)Spontaneous radiation)。自发辐射这种过程与外界无关，各个原子都是自发、独立地进行。即这个过程是个随机过程。处于高能级的原子何时自发地辐射光子，带有偶然性。所以，各个原子在自发过程中所发出的光子其位相、

19、传播方向、频率、偏振状态等都没有确定的关系。换句话说，自发辐射的光是非相干的。普通光源的发光都属于自发辐射。自发辐射的特点受激辐射 1917年爱因斯坦研究热辐射时就预言：在辐射过程中，除自发辐射外，同时还存在另一种辐射即“受激辐射”。四十多年后第一台激光器开始运转，爱因斯坦这一预言得到了有力的证实。如图，处在激发态的原子，如果在它发生自发辐射如图，处在激发态的原子，如果在它发生自发辐射之前，当有外来光子（即外来电磁场）影响它时，之前，当有外来光子（即外来电磁场）影响它时，且外来光子的频率正好是且外来光子的频率正好是2121。E1E2h 21E1E2h 21h 21这个原子可能受到外来光子的这个

20、原子可能受到外来光子的“刺激刺激”, ,引起由高能级引起由高能级E E2 2向低能级向低能级E E1 1跃迁，同时发出一个光子，此时光子由一跃迁，同时发出一个光子，此时光子由一个变成两个个变成两个-“受激辐射受激辐射”（Stimulated Stimulated radiation)radiation) 。受激辐射的特点 1. 1. 它不是自发产生的，必须有外来光子的它不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激刺激”，它对外，它对外来光子的频率有严格的要求。来光子的频率有严格的要求。 即必须满足能级和频率的关系。即必须满足能级和频率的关系。2. 2. 受激辐射的光子与原来入射的光子具有相同的频率、

21、相同受激辐射的光子与原来入射的光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态、相同的位相和速率。的发射方向、相同的偏振态、相同的位相和速率。3. 3. 原来入射的光子与受激辐射产生的光子是两束一模一样的原来入射的光子与受激辐射产生的光子是两束一模一样的光，它们是相干的，它们相互叠加后，就会使光的强度增大，光，它们是相干的，它们相互叠加后，就会使光的强度增大，即受激辐射引起了光放大。即受激辐射引起了光放大。激光的发光特点激光和普通光的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主，各个发光中心发出的光波，无论在方向、位相或者偏振态上都是各不相同的。激光则以受激辐射为主，各个发光中心

22、发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。三能级系统四能级系统粒子数反转 如图为三能级的示意图。如图为三能级的示意图。 E E1 1为基态，为基态，E E2 2和和E E3 3为为激发态。其中激发态。其中E E2 2是个特殊的能级，是个特殊的能级，三能级系统三能级系统 原子在原子在E E2 2能级上的寿能级上的寿命要比在命要比在E E3 3上长的多，上长的多，一般长达一般长达1010-3-3秒，比秒，比E E3 3稳稳定多了，所以称定多了，所以称E E2 2为亚为亚稳态能级。稳态能级。E2E1受激吸收受激辐射自发辐射激励抽运E3无辐射跃迁10-8s10-3s三能级工作物质三能级

23、工作物质 在泵浦源的激励下，基态在泵浦源的激励下，基态E E1 1上的原子被抽运到激发上的原子被抽运到激发态态E E3 3上（激发到上（激发到E E2 2上的几率很小），因而上的几率很小），因而E E1 1上的原子上的原子数数N N1 1减少。减少。 由于由于E E3 3态的寿命很短（态的寿命很短（1010-8-8s s），原子将很快以），原子将很快以“无无辐射跃迁辐射跃迁”的方式跃迁到亚稳态的方式跃迁到亚稳态E E2 2上，由于上，由于E E2 2寿命长，寿命长，从而能在其上积累大量粒子，使从而能在其上积累大量粒子，使E E2 2上的粒子数上的粒子数N N2 2不断不断增加。增加。一方面是一

24、方面是N N1 1减少，另一方面是减少，另一方面是N N2 2增加，直到增加，直到 N N2 2 N N1 1，实现了亚稳态实现了亚稳态E E2 2与基态与基态E E1 1之间的粒子数反转分布。之间的粒子数反转分布。E2E1受激吸收受激辐射自发辐射激励抽运E3无辐射跃迁10-8s10-3s三能级工作物质三能级工作物质 三能级系统中，是在亚稳三能级系统中，是在亚稳态能级和基态能级之间实现态能级和基态能级之间实现粒子数反转，而在基态能级粒子数反转，而在基态能级上又聚集着大量粒子，因此上又聚集着大量粒子，因此要实现要实现N N2 2 N N1 1，外界抽运的，外界抽运的泵浦源必须相当强，这是三泵浦源

25、必须相当强，这是三能级结构一个显著缺点。能级结构一个显著缺点。四能级系统为了克服三能级系统的缺点-四能级系统。 E1 基态， E2 、E3 、 E4激发态在泵浦源的激励下， E1上大量粒子被抽运到E4上 ，因E4寿命很短，粒子迅速无辐射跃迁到E3，使E3上粒子数积累。E1抽运E4E2E3受激吸收受激辐射自发辐射激励无辐射跃迁 常温下， E2是空能级（其上粒子数很少），故很容易在E3和E2间形成粒子数反转，且E2的寿命也很短，由E3经受激辐射到E2的粒子很快又无辐射跃迁到E1 。可见，在四能级工作物质中，使E3与E2间实现粒子数反转比在三能级工作物质中容易得多，而且效率高。E1抽运E4E2E3受

26、激吸收受激辐射自发辐射激励无辐射跃迁 粒子数反转粒子数反转（Population inversion)Population inversion) 通过讨论我们看到，上述体系不可能获得通过讨论我们看到，上述体系不可能获得受激辐射光放大。要想获得这种效应，除非使受激辐射光放大。要想获得这种效应，除非使体系处于非热平衡态，即设法使处于高能级上体系处于非热平衡态，即设法使处于高能级上的原子数目多于低能级上的原子数目。这样，的原子数目多于低能级上的原子数目。这样，使原子获得正常分布的反转状态，这种分布称使原子获得正常分布的反转状态，这种分布称为为粒子数反转粒子数反转。 首先要具备必要的能量输入系统，通常

27、采用光能、首先要具备必要的能量输入系统，通常采用光能、化学能、核能等能源去激励处于低能级上的原子，化学能、核能等能源去激励处于低能级上的原子，使它向上跃迁到高能级，从而实现粒子数反转。这使它向上跃迁到高能级，从而实现粒子数反转。这个过程叫个过程叫“抽运抽运”或或“泵浦泵浦”。用光作为激励源的。用光作为激励源的叫叫“光泵光泵”；用化学能作为激励源的叫；用化学能作为激励源的叫“化学泵化学泵”；用核能的叫用核能的叫“核泵核泵”等等。等等。 如何实现粒子数反转如何实现粒子数反转? ? 尽管激励的方式不同，但目的是要使物质中有尽可尽管激励的方式不同，但目的是要使物质中有尽可能多的粒子吸收能量后，从低能级

28、不断激发到高能级能多的粒子吸收能量后，从低能级不断激发到高能级上去，有选择性的使某个或某几个较高能级上的原子上去，有选择性的使某个或某几个较高能级上的原子数目大大的增多，并且超过低能级上的原子数，使原数目大大的增多，并且超过低能级上的原子数，使原子数的分布状态与热平衡的正常分布相反，从而实现子数的分布状态与热平衡的正常分布相反，从而实现粒子数反转。粒子数反转。粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E. .。 。1N2N12EE 粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。 。2N1N12EE 实现粒子数反转，除了强有力的泵浦源以实现粒子数反转，除了强有力的泵浦源以外，还有一个重要的条件，就是要求所

29、选择外，还有一个重要的条件，就是要求所选择的物质具有合适的能级结构。因为并非各种的物质具有合适的能级结构。因为并非各种物质都能实现粒子数反转；在能实现粒子数物质都能实现粒子数反转；在能实现粒子数反转的物质中，也不是在该物质的任意两个反转的物质中，也不是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。我们把能造成能级间都能实现粒子数反转。我们把能造成粒子数反转的物质称为激活媒质（或称为激粒子数反转的物质称为激活媒质（或称为激光器的工作物质）。光器的工作物质）。1.3 激光器的基本组成激光器的基本组成激光器的基本结构： 增益介质 激励源 光学谐振腔激光器工作原理 光学谐振腔有什么作用？光学谐振腔有什么

30、作用？ 1.正反馈作用正反馈作用:维持激光持续震荡以形成受激维持激光持续震荡以形成受激发射，即发射，即增强光放大作用（延长了工作物增强光放大作用（延长了工作物质）；质）； 2.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。使激光具有极好的单色性（选频）。为什么要研究光学谐振腔？为什么要研究光学谐振腔？影响谐振腔的光学反馈作用的三个因素：影响谐振腔的光学反馈作用的三个因素：1、组成腔的两个反射镜面的、组成腔的两个反射镜面的反射率反射率；2、反射镜的、反射镜的几何形状几何形状以及它们之间的以及它们之间的组合方式组合方式；3、两个腔镜之间的

31、、两个腔镜之间的距离距离。 通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用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。应用的要求。相关规定和谐振腔型相关规定和谐振腔型光线光学中，规定光线传播在反射镜前为光线光学中，规定光线传播在反射镜前为正正，在反射镜后为，在反射镜后为负负。对对凹凹面反射镜：面反射镜：对对凸凸面反射镜：面反射镜：对对平平面反射镜：面反射镜：0R 02Rf 02Rf 2Rf 0R R R式中，式中，为反射镜曲面半径；为反射镜曲面半径； 为反射镜焦距。为反射镜焦距。f上述三种反射镜可任选两种组成不同

32、的光学谐振腔。上述三种反射镜可任选两种组成不同的光学谐振腔。平平腔平平腔由两块相距为由两块相距为L、平行放、平行放置的平面反射镜构成置的平面反射镜构成双凹腔双凹腔由两块相距为由两块相距为L，曲率，曲率半径分别为半径分别为R1和和R2的凹的凹球面反射镜构成球面反射镜构成R1+R2=LR1=R2=L常见的谐振腔型常见的谐振腔型平凹腔平凹腔凹凸腔凹凸腔双凸腔双凸腔 R1LR2激光器的种类激光器的种类v按工作介质的性质来分类按工作介质的性质来分类固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器半导体激光器半导体激光器染料激光器染料激光器化学激光器化学激光器自由电子激光器自由电子激光器 在谐振腔内，若要产生激光

33、，则光必须在两反射镜中在谐振腔内，若要产生激光，则光必须在两反射镜中来回反射以实现光放大，所以，研究谐振腔的任务之一就来回反射以实现光放大，所以，研究谐振腔的任务之一就是研究光在腔内的是研究光在腔内的几何偏折损耗。几何偏折损耗。 非稳定腔非稳定腔 光线有限次反射后便逸出腔外光线有限次反射后便逸出腔外 几何偏几何偏折损耗大折损耗大( (高损耗腔高损耗腔) )稳定腔稳定腔 任何任何光线光线可以在腔内往返无限多次可以在腔内往返无限多次不会不会 逸出腔外逸出腔外 几何偏折损耗小几何偏折损耗小 ( (低损耗腔低损耗腔) ) 临界临界腔腔 性质介于稳定腔和非稳腔之间，性质介于稳定腔和非稳腔之间，部分光线有

34、部分光线有限次反射后便逸出腔外，而另一部分光线则往返无限限次反射后便逸出腔外，而另一部分光线则往返无限多次也不会逸出腔外多次也不会逸出腔外1.4 1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件一、光线在谐振腔内的行为一、光线在谐振腔内的行为1、光线在双凸腔内的行为、光线在双凸腔内的行为M1M2P1P2r1Lr2LLa2a1双凸腔中光线传输路径双凸腔中光线传输路径R2R1双凸腔双凸腔：由两个凸面镜按照任意间距组成：由两个凸面镜按照任意间距组成。非稳腔非稳腔2、光线在共焦腔内的行为、光线在共焦腔内的行为 共焦腔共焦腔 R1=R2=L，f1=f2=R/2M1M2稳定腔稳

35、定腔光线在腔内形成闭合回路，不管如何反射都不会逸出腔外。光线在腔内形成闭合回路，不管如何反射都不会逸出腔外。 平行平面腔平行平面腔 R1=，R2= M1M2R1R2 平行平面腔，通过公共中心的光线平行平面腔，通过公共中心的光线稳定稳定不通过公共中心的光线不通过公共中心的光线不稳定不稳定3、光线在平行平面腔内的行为、光线在平行平面腔内的行为临界腔临界腔谐振腔几何参数示意图111RLJ221RLJ、谐振腔的结构由其几何参数所决定谐振腔的结构由其几何参数所决定。令：令：当凹面镜向着腔内时，当凹面镜向着腔内时，R取正值；取正值；当凸面镜向着腔内时，当凸面镜向着腔内时，R取负值。取负值。二、腔的稳定条件

36、二、腔的稳定条件1或02121JJJJ 只适用于简单的共轴球面镜腔只适用于简单的共轴球面镜腔( (直腔直腔) )非稳腔非稳腔稳定腔稳定腔临界腔临界腔由几何光学方法可以证得谐振腔的稳定条件为：由几何光学方法可以证得谐振腔的稳定条件为：其中其中0或12121JJJJ注意：非稳腔仅指其损耗大，它也能稳定工作注意：非稳腔仅指其损耗大，它也能稳定工作0J1J21J2=1-L/R2=1J1J21非稳腔非稳腔R10R2= 例例3. 双凸腔双凸腔：由两个凸面镜按照任意间距组成。：由两个凸面镜按照任意间距组成。 任何双凸腔都是非稳腔任何双凸腔都是非稳腔非稳腔非稳腔M1M2P1P2r1Lr2LLa2a1双凸腔中光

37、线传输路径双凸腔中光线传输路径R2R1由 R10，R21，J21得到 J1J21 例例4. 平凹腔平凹腔：由一个平面镜和一个凹面镜按照任：由一个平面镜和一个凹面镜按照任意间距组成。意间距组成。2RL由于R1=,R20所以J1=1，J20 J20 R2L非稳腔非稳腔：J1J20 J20 R20,R20所以J11，J2L，R2L 或者R1L，R2L非稳腔条件：R1L，R2L 或者R1L 或者R1+R20,R20所以J11稳定腔条件：R1L，R1+R2L非稳腔条件：R1L临界腔条件：R1=L 或者R1+R2=L凹凸腔凹凸腔三、谐振腔稳定图三、谐振腔稳定图例如：稳定腔，已知R1=2L，求R2的取值范围

38、可用来确定腔长和镜面的曲可用来确定腔长和镜面的曲率半径的取值范围率半径的取值范围1.5 1.5 激光振荡模式激光振荡模式 光学谐振腔除了提供正反馈维持激光持续振荡以形成受激辐射外，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证激光的高方向性和单色性 振荡模式讨论的就是振荡频率和场强分布的问题。光波在谐振腔中的振荡不仅决定了激光的频率和谱线宽度，还决定了激光的场强分布（纵向和横向的场强分布）。一、激光的纵模 定义：纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，因此常常把激光器纵模的选取称为激光的选频技术。 以气体放电管作为工作介质为例，通常它所发射的光波的

39、频率宽度比较大。如果把放电管放在光学谐振腔内，经过谐振腔的选频，可使它所发射的光波的频率宽度变窄。1.5 1.5 激光振荡模式激光振荡模式谐振腔内每一个允许的频率值，在腔内形成一列驻波。每列驻波代表腔内光场沿纵轴的一种分布，习惯上称它为一个模式，或叫一个纵模。腔内如果只有一种光场分布，称单纵模，否则称多纵模。 光在谐振腔内来回反光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡成驻波的光才能振荡2qqL 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜腔长Lq=1,2,3工作介质的折射率波长为波长为q2qL振荡纵模（频率）为振荡纵模（频率）为Lcqcq2q1.5 1.5 激光振荡

40、模式激光振荡模式Lcq21qqqFN两个谐振频率间隔差若已经光束的谱线宽度为F辐射线宽内的纵模个数为N1，单纵模N1，多纵模1.5 1.5 激光振荡模式激光振荡模式m处的谱线宽度为F=1.5109Hz，问腔中有多少纵模？若同样条件下，腔长为30cm呢？影响纵模的因素：1.腔长L。腔长越长，两个谐振频率间隔差越小，纵模数越多F。线谱宽度越宽，纵模越多二、激光的横模定义：在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面，就不会有除了基模以外的其它横模输出。这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。反

41、射面和端面都不可能是理想平面，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。（这个方向差异通常非常小）多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。 1.5 1.5 激光振荡模式激光振荡模式横模横模 (光束横截面上的光强的稳定分布光束横截面上的光强的稳定分布)激光束横截面上几种光斑图形激光束横截面上几种光斑图形1.5 1.5 激光振荡模式激光振荡模式 光腔模式是横模和纵模的组合，以符号TEMmnq表示，其中m、n 为横模指数，q为纵模指数 m、n取值越大，光斑图形越复杂，

42、该横模偏离光传播轴线越远，方向性越不好；q值越大，纵模数越大，单色性越不好。 每一组m、n、q代表一种模式，一种光场分布，对应一个谐振频率 横模和纵模分别从两个侧面反映腔内光场的情况，只有两者结合起来才能全面的反映腔内的光场分布1.5 1.5 激光振荡模式激光振荡模式1.6 光腔的损耗和激光振荡的阈值条件光腔的损耗和激光振荡的阈值条件 引入：如果谐振腔内工作物质的某能级处于粒子数反转状态,则频率处在它的谱线宽度内的微弱光信号会因增益而不断增强 （光放大过程）。另一方面,谐振腔中存在的各种损耗,又使光信号不断衰减。能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学谐振腔, 要获得光自激振荡, 须令光在

43、腔内来回一次所获增益，至少可补偿传播中的损耗。 损耗大小是评价谐振腔的一个重要指标损耗大小是评价谐振腔的一个重要指标 定义：光腔的损耗是指光在腔内传播时，由于各种物理因素造成的光强的衰减。1. 1. 几何偏折损耗几何偏折损耗 光线在腔内往返几次，可能逸出腔外，这种损耗光线在腔内往返几次，可能逸出腔外，这种损耗称为几何偏折损耗。称为几何偏折损耗。 几何偏折损耗与腔型、模次的高低有关。几何偏折损耗与腔型、模次的高低有关。1.6 光腔的损耗和激光振荡的阈值条件光腔的损耗和激光振荡的阈值条件非稳腔几何损耗较大稳定腔几何损耗很小2. 2. 衍射损耗衍射损耗 是谐振腔的固有损耗，由于腔的反射口径有限，光是谐振腔的固有损耗，由于腔的反射口径有限，光在其上会发生衍射，造成一部分能量损失，称为衍射在其上会发生衍射，造成一部分能量损失，称为衍射损耗。损耗。 与腔的几何尺寸、模式有关。横模指数越高，与腔的几何尺寸、模式有关。横模指数越高，衍射损耗越严重。衍射损耗越严重。 衍射损耗与腔的菲涅耳数（衍射损耗与腔的菲涅耳数（N=aN=a2 2/L/L）有关）有关1.6 光腔的损耗和激光振荡的阈值条件光腔的损耗和激光振荡的阈值条件3. 腔镜反射不完全引起的损耗： 一部分光从部分反射镜透射出去，这部分光就是输出的激光，这对谐振腔来说是一种损耗，一种有用的损耗4.非激活吸