激光原理与应用教案

1、-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)JINGBIAN激光原理与应用教案绪论本节课教学目标：让学生了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。让学生了解激光科学的分支及激光在军事、信息技术、医疗等方面的应用；本节课教学内容：1. 激光的概念：激光一一利用受激辐射的光放大。LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation2. 激光的发现：最早在1917年一一Einstein首次预言受激辐射激光，历史上首先在微波波 段实现量子放大（1953） , 1954 年C. H. Townes, I. P. Go

2、rden, H. J. Zeiger U 用NH3分子射束实现Maser向更短波长进发ammonia beam maser, 1958年A. L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB 提出将 Maser 原理推广到光波段 laser, 1960 年T. H. Maiman of Bell Lab 红宝石首次实现 laser l=6943A 红 光（早期的名称：莱塞、光量子振荡器、光激射器受激光，激光一一钱学森 在1963年提出。61年中国（亚洲）第一台激光器诞生在长春（长春光机所和 光机学院），由王之江院士发明。激光科学技术发展的基础学科一一光谱学，物理

3、光学，固体物理，物质结 构，无线电电子学。推动力一一广阔的应用领域：核聚变，加工，热处理，通 讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲一一高时间、空间分辨、能量分 辨。3. 激光与普通光源的区别？（1）良好的单色性。单色性指光源发射的光波长范围很小，测距。（2）良好的方向性。激光的光束几乎只沿着一个方向传输。测距，通信。（3）高凫度。激光功率集中在极小的空间范围内。切割，手术，军事。（4）极好的相干性。各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。精确测距。 3在一种全新的物理意义上提出了光子学说。爱因斯坦认为光子既是粒子、同时 又是波。光在与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突出。光的 这种

4、粒子性和波动性相互对立又并存的性质，叫做光的“波粒二象性;光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。习惯上把电矢量叫做光矢 量。光速、频率和波长三者的关系C%D = = D = (A =)2 .单色平面波波面相位相同的空间各点构成的面 平波面波面是彼此平行的平面.且在无吸收介质中传播时，波的振幅保持不 变。单色平波面具有单一频率的平面波。实际上任何光波都不可能是全单色的，总有一定的频率宽度。当时, 就叫准单色波。简谐波理想单色平面波 简谐波方程：U =U()cosher-r) = t/0cosW-%)U =i/()COS67(f = t/0cos(3 .光子在真空中一个光子的能量为,动量为P,则

5、它们与光波频率,波长之间的关万 hv _ h _ h 2加 _ h r P = /70 = n.,=kc 2 2 2 2式中h是普朗克常数，h=6.63xlO-34JS本节课教学手段与方法：采用多媒体形式。用丰富的图片来说明光的经典理论。2 .原子的能级和辐射跃迁本节课教学目标：理解原子能级和简并度、原子状态的标记；掌握玻尔兹曼分布、辐射跃迁和非辐射跃迁本节课教学内容：1 .原子中电子的状态由下列四个量子数来确定(1)主量子数n, n=l, 2, 3,代表电子运动区域的大小和它的总能量的主 要部分。(2)辅量子数1, =叫无裂轨整的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有 关。(3)磁量子数(即轨

6、道方向量子数)m=0, 1, 2, 1代表轨道在空间的可 能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量(4)自旋量子数(即自旋方向量子数)ms= 1/2,代表电子自旋方向的取向， 也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量2 .电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态(1)电子的能级，依次用Eo, E, E2,En表示(2)基态：原子处于最低的能级状态(3)激发态：能量高于基态的其它能级状态3 .玻尔兹曼分布现考虑由no个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子 数按能级分布服从波尔兹曼定律, 8 gL分别处于Em和En能级上的原子数所和所必然满足下一关系讨论：11电二 kT ,

7、以J” 12W = Sw-S kT3DO且与双，鼠血4 .辐射跃迁和非辐射跃迁(1)辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象(2)非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。本节课教学手段与方法：采用多媒体形式。先复习原子的四个量子数，再对简并、简并度进行定义。阐明在热平衡情 况下，处于高能态的粒子数总是小于处于低能态的粒子数的这一规律。最后介 绍原子的辐射跃迁和非辐射跃迁。3 .光的受激辐射本节课教学目标：了解光与物质的相互作用，掌握这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物 理基础，根据光与物质的相互作用物

8、理模型分析空腔黑体的热平衡过程，从而 导出爱因斯坦三系数之间的关系。本节课教学内容：一、经典的辐射理论引用偶极子的概念，反映了光的发射和吸收过程的规律;二、黑体热辐射的实验现象；三、光和物质的相互作用（重点、难点）1 .爱因斯坦粒子模型一一粒子只有间距为加二七2 一昂（&昂）的二个能级，且 它们符合辐射跃迁选择定则。2.光频电磁场与物质的三种相互作用过程一一（1）.自发发射、（2）.受激辐 射、（3）.受激吸收以及各个过程的特点、系数、各系数的物理意义； 四、爱因斯坦三系数的相互关系的推导，五、自发辐射功率与受激辐射功率的计算（重点）讨论:创造条件，增大受激辐射程度的方法。本节课教学手段：采用

9、多媒体形式。先介绍经典的辐射理论，反映了光的发射和吸收过程的规律、再介绍黑体热 辐射，重点介绍光和物质的相互作用过程、爱因斯坦粒子模型，讲解清楚电磁 场与物质的三种相互作用过程的特点、系数、各系数的物理意义。最后导出自 发辐射功率与受激辐射功率的计算和比较，引导学生讨论创造怎样的条件，可 增大受激辐射程度，达到激光的目的。4.光谱线增宽本节课教学目标：了解光谱线型对光与物质的作用的影响，分析引起谱线加宽的各种物理机 制,并根据不同的物理过程求出g（ V , V。）的具体函数形式。本节课教学内容：一、光谱线，线型和光谱线宽度1 .原子辐射的波不是单色的，而是分布在中心频率（E2-Ei）/h附近一

10、个很小 的频率范围内。2 .就每一条光谱线而言，在有限宽度的频率范围内，光强的相对强度也不 一样。二、自然增宽（重点）1 .经典理论一一描述原子内部电子的运动，其物理模型就是按简谐振动或 阻尼振动规律运动的电偶极子，称为简谐振子。2 .衰减振动不是简谐振动，因此原子辐射的波不是单色的，谱线具有有 限宽度。3 .自然增宽:作为电偶极子看待的原子作衰减振动而造成的谱线增宽。4 .自然增宽的谱线型函数：(难点)A(v) = -一:m(%)-+(%/2)5 .量子解释一一测不准关系，对原子的能级来说，时间的不确定值就是原子的平均寿命，则能级有一定宽度。三、碰撞增宽(重点)1 .自然增宽是假设原子彼此孤

11、立并且静止不动所造成的谱线增宽。而匕/2万(v-v0)2 + (Avf/2)2碰撞增宽是考虑了发光原子间的相互作用造成的，碰撞使原子发光中断或光波位相发生突变，即使发光波列缩球,(1，)=2 .碰撞增宽的谱线型函数：四、多普勒增宽多普勒增宽一一光源与接收器相对运动引起的频移导致的谱线增宽。本节课教学手段：采用多媒体形式。先介绍原子在发辐射过程中，各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而 是分布在中心频率(E2-Ei)/h附近一个很小的频率范围内。引入谱线加宽的概 念。定义线型函数为一、/(v)/(v)j/(v)dv再分析引起谱线加宽的各种物理机制,并根据不同的物理过程求出/( V ) 的具体函

12、数形式。5.激光形成的条件本节课教学目标：掌握产生激光的基本条件一一激发射占优势、产生激光必须具备的三个条件;本节课教学内容：一、介质中光的受激辐射放大（重点、难点）1 .要能形成激光，首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收。2 .光束在介质中的传播规律3 .介质中产生受激光放大的条件、增益介质与增益系数。二、光学谐振腔和阈值条件L满足了以上两个条件后，还要采取什么措施使受激辐射成为增益介质中的 主要发光过程，而不是自发辐射？2 .要使受激辐射几率远大于自发辐射几率，3 .光学谐振腔的作用；4 .产生激光必须具备的条件（重点）（1）激励能源把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去（2）增益介

13、质能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态本节课教学手段：采用多媒体形式。介绍光放大的条件集居数反转。一定的条件下物质的光吸收可以转化为 自己的对立面光放大；引进光放大物质的增益系数与增益曲线；再介绍 自激振荡概念，以及激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分，最后导出产 生激光必须具备的条件。第二章激光器的工作原理1 .光学谐振腔结构与稳定性本节课教学目标：了解光学谐振腔的作用，它是理解激光的相干性、方向性、单色性等一系 列重要特性，进行激光器件的设计和装调的基础，也是研究和掌握激光本技术 和应用的基础。根据几何偏折损耗的高低.开放式光腔可以分为稳定腔和非稳 腔。本节课教学内容：一、光

14、学谐振腔结构与稳定性1 .光腔的作用2 .光腔的构成和分类二、腔开放式共轴球面光学谐振腔的构成（重点）三、腔按几何损耗（几何反射逸出）的分类：四、共轴球面谐振腔的稳定性条件五、轴球面谐振腔的稳定图及其分类（重点）六、稳定图：稳定条件的图示七、定图的应用（重点、难点）例要制作一个腔长L = 60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围 如何？ （b）稳定腔的一块反射镜的曲率半径R1=4L,求另一面镜的曲率 半径取值范围。本节课教学手段：采用多媒体形式。先回顾产生激光的必要条件，引进对光腔问题的研究在激光技术中具有重 要的理论和实践意义。再介绍开放式共轴球面光学谐振腔的构成，并根据光 腔按几何损

15、耗进行分类以及光腔稳定条件、轴球面谐振腔的稳定图。重点介 绍对称共焦腔是最重要和最具有代表性的一种稳定腔。最后用图直观地表示 稳定条件一一稳定图及稳定图的应用。2 .速率方程组与粒子数反转本节课教学目标：掌握速率方程方法以及速率方程的求解步骤，通过求解速率方程组，了解 可实现粒子数反转的几种量子系统。从而知道在光频区，二能级系统不可能 实现粒子数反转；而三能级系统虽然可以实现粒子数反转，但因为下能级为 基态，极易积累粒子，对抽运的要求很高，所以不易实现粒子数反转；而四 能级系统的下能级不是基态，故阈值抽运强度比三能级系统小，有时甚至可以小34个数量级，所以四能级系统较容易实现粒子数反转。本节课

16、教学内容：一、二能级三能级系统和四能级系统（重点）画出各能级系统能级图、列出各能级系统能的速率方程组，求解速率方程 组，从而得到数学解和物理解；分析各能级系统的数学解和物理解，得出结论一一二 能级系统不可能产生激光，而四能级系统产生激光要比三能级系统容易得多。二、考虑谱线增宽再讨论以上情况。（重点）三、稳态工作时的粒子数密度反转分布四、小信号工作时的粒子数密度反转分布1 .小信号粒子数密度反转分布2 .小信号粒子数反转的物理条件五、均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布（难点）六、均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应（难点）本节课教学手段：采用多媒体形式。先回顾实现粒子数反转的两个必要条件，

17、引入速率方程方法，求解速率方程 组，分析粒子系统能否实现粒子数反转的数学解，确定粒子数反转的物理条 件。进一步讨论稳态工作时的粒子数密度反转分布，导出小信号粒子数反转 的物理条件，再研究均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布!,讨论与 各种因素的关系，引出饱和效应的概念、饱和原因。最后导出饱和光强 （饱和参量）人的物理意义。3.均匀增宽介质的增益系数和增益饱和本节课教学目标：从速率方程出发导出激光工作物质的增益系数表示式，分析影响增益系数的各 种因素，着重讨论光强增加时增益的饱和行为，导出的增益系数表示式。从而得到结果一一在均匀加宽谱线情况下，由于每个粒子对谱线不同频率处的增益 都有贡献，所以当某

18、一频率（V D的受激辐射消耗了激发态的粒子时也就减少 了对其他频率（V ）信号的增益起作用的粒子数。其结果是增益在整个谱线上 均匀地下降。于是在均匀加宽激光器中，当一个模振荡后，就会使其他模的增 益降低，因而阻止了其他模的振荡。本节课教学内容一、均匀增宽介质的增益系数二、增宽饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系 数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大 而减小。三、对增益饱和分几种情况讨论（重点）例.He-Ne 激光器中，Ne 原子数密度o=i+2=1O12 cm-3, 1 伏v）= 15X 109 除 1- X = 0.6328pm, =10-

19、7s, g2 = 3, gl=5,又知 E?、Ei 能级数密度之比为 4,求此介质的增益系数G值。本节课教学手段：采用多媒体形式。从速率方程出发导出激光工作物质的增益系数表示式，分析影响增益系数的各 种因素，着重讨论光强增加时增益的饱和行为。让学生明确：在均匀加宽谱线 情况下，由于每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献，所以当某一频率M） 的受激辐射消耗了激发态的粒子时.，也就减少了对其他频率信号的增益起 作用的粒子数。其结果是增益在整个谱线上均匀地下降。于是在均匀加宽激 光器中，当一个模振荡后，就会使其他模的增益降低，因而阻止了其他模的振 荡。4,非均匀增宽介质的增益饱和本节课教学目标：因为

20、具有均匀加宽谱线和具有非均匀加宽谱线的工作物质的增益饱和行为有很大差别，由它们所构成的激光器的工作特性也有很大不同,因此将分别予 以讨论。所以必须掌握非均匀增宽介质的特点，即不同发光粒子只对光源光 谱线的相应部分有贡献。从而导出的增益系数表示式以及反转粒子数一一 烧孔效应。分析可以得到：光波I使均匀增宽型介质对各种频率的光波的增 益系数都下降同样的倍数：而对冲.均匀增宽型介质它只能引起某个范围内的 光波的增益系数下降，并且下降的倍数不同。本节课教学内容：一、非均匀增宽介质的增益饱和1 .由子介质内的粒子在作紊乱的热运动，粒子运动的速度沿腔轴方向的分量 满足麦克斯韦速度分布律。2 .因为在非均匀

21、增宽工作物质中，每一种特定类型的粒子，只能同某一定频 率v的光相互作用。因此反转粒子数密度按频率y有一个分布.二、增益系数的计算（重点、难点）方法:把一条非均匀增宽谱线看作大量线宽极窄的均匀增宽谱线的叠加。三、非均匀增宽介质稳态粒子数密度反转分布四、反转粒子数烧孔效应（重点）五、非均匀增宽介质稳态情况下的增益饱和本节课教学手段：采用多媒体形式。先回顾非均匀增宽特点一一不同发光粒子只对光源光谱线的相应部分有贡 献。分析影响增益系数以及粒子数反转分布的各种因素,让学生明确：因为在 非均匀增宽工作物质中，每一种特定类型的粒子，只能同某一定频率v的光 相互作用。因此反转粒子数密度按频率v有一个分布.着

22、重讲解非均匀增 宽增益系数的计算，方法是:把一条非均匀增宽谱线看作大量线宽极窄的均匀 增宽谱线的叠加。再介绍非均匀增宽介质稳态粒子数密度反转分布、非均匀 增宽介质稳态情况下的增益饱和。引进一一烧孔效应的概念。让学生了解到 （烧孔面积）常用来估算输出激光功率。5.激光器的损耗与阈值条件本节课教学目标:如果谐振腔内工作物质的某对能级处于集居数反转状态，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。另一方面，谐振腔中存在的 各种损耗，乂使光信号不断衰减。能否产生振荡，取决于增益与损耗的大小。 本节III增益饱和效应出发估算稳态工作时的腔内平均光强，推导激光器自激 振荡的阈值条件。并在此基

23、础上给出粗略估算输出功率的方法。本节课教学内容：一、损耗1 .内部损耗一一增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有 缺陷而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量 的损耗。2 .镜面损耗二、激光器内形成稳定光强的过程（重点）三、阈值条件四、对介质能级选取的讨论例：实验测得He-Ne激光器以波长入=0.6328卜工作时的小讯号增益系数为 Go = 3xlO-4/d（cm-l）, d为腔内毛细管内径（cm）。以非均匀增宽计算腔内光 强Z=50W / cmz的增益系数G（设饱和光强Zs=30W / cm2时，d=lmm）,并 问这时为保持振荡稳定，两反射镜的反射率（设门=

24、-2,腔长0.1m）最小为多 少（除透射损耗外，腔内其它损耗的损耗率a内=9x104cm）乂设光斑面积4=0.11mm2,透射系数/=0.008,镜面一端输出，求这时输出功 率为多少毫瓦。本节课教学手段与方法：采用多媒体形式。先回顾产生激光的三个必要条件：1.工作物质2.激励能源3.光学谐 振腔再讨论对光学谐振腔，要获得光自激振荡，须令光在腔内来回一次所获增 益，至少可补偿传播中的损耗.，研究谐振腔的损耗与阈值条件。通过研究激 光器内形成稳定光强的过程，推导出形成激光所要求的增益系数的条件、激 励能源对介质粒子的抽运一定要满足的条件，然后对介质能级选取进行讨 论，并通过例题加深学生对这些问题的

25、认识。第三章激光器的输出特性1 .光学谐振腔的衍射理论本节课教学目标：本节将讨论光腔模式问题。模式问题在激光技术中具有重要的理论和实践 意义。它是理解激光的相干性、方向性、单色性等一系列重要特性，自再现模 的求解是谐振腔衍射理论的重要部分，自再现模积分的数学基础是菲涅耳 基尔霍夫衍射积分公式，我们的目的是弄清楚激光模式的基本特征及其与腔的 结构之间的具体依赖关系。本节课教学内容：一、惠更斯-基尔霍夫衍射公式二、光学谐振腔的自再现模积分方程（重点）1 .自再现模概念2 .腔与模的一般联系3 .横模的形成4 .孔阑传输线、自再现模（横模）的形成过程三、菲涅耳-基尔霍夫衍射积分（重点、难点）首先要解

26、决的一个问题是，如果已知某一镜面上的场分布ui（x y）如何求 出在衍射的作用下经腔内一次渡越而在另一个镜面上生成的场s（x,y）。这 里（x,y）分别衰示两个镜面上场点的坐标。知道了光波场在其所达到 的任意空间曲面上的振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间其他任意 位置处的振幅和相位分布。四、积分方程解的物理意义（重点）五、光学谐振腔谐振频率和激光纵模1 .谐振条件、驻波和激光纵模2 .纵模频率间隔3 .选纵模本节课教学手段：采用多媒体形式。先回顾产生激光的三个必要条件：1.工作物质2.激励能源3.光学谐 振腔再从研究谐振腔的衍射理论开始，为了形象地理解开腔中自再现模的形 成过程，我们用波

27、在孔阑传输线中的行进，模拟它在平面开腔中的往复反射。 这种孔阑传输线由一系列同轴的孔径构成，这些孔径开在平行放置着的无限 大完全吸收屏上，相邻两个孔径间的距离等于腔长，孔径大小等于镜的大小。 当模拟对称开腔时,所有孔径的大小和形状都应相同。光学中著名的惠更斯-菲涅耳原理是从理论上分析衍射问题的基础,因而 也必然是开腔模式问题的理论基础。该原理的严格数学表述是所谓菲涅耳.基 尔霍夫衍射积分，它可以从普遍的电磁场理论推导出来。该积分公式表明，如 果知道了光波场在其所达到的任意空间曲面上的振幅和相位分布，就可以求出 该光波场在空间其他任意位置处的振幅和相位分布2.对称共焦腔内外的光场分布本节课教学目

28、标：叙述开腔模的物理概念，应用惠更斯-菲涅耳原理是从理论上定量讨论衍射问 题。介绍平面腔模的迭代解法，求解对称共焦腔中的自再现模积分方程,了解输 出激光的具体场的分布。以方型镜面的对称共焦腔为例，求解方程：5“小加（x, y） = 1 K （x, y, x, y 加恤（x , y）ds得出一系列本征函数，它们描述共焦腔镜面上场的振幅和相位分布,同时得出一系 列相应的本征值，它们决定模的相移和损耗。本节课教学内容：一、共焦腔镜面上的场分布（重点、难点）1 .方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解2 .镜面上自再现模场的特征：TEMmn模在镜面上振幅分布的特点取决于厄米多项式与高斯函数的乘 积。厄

29、米多项式的零点决定场的节线，厄米多项式的正负交替的变化与高斯函数随着X、），的增大而单调下降的特征决定着场分布的外形轮廓。 二、共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布（重点）腔内的光场可以通过基尔霍夫衍射公式计算仙镜面Ml上的场分布在腔内 造成的行波求得。腔外的光场则就是腔内沿一个方向传播的行波透过镜面的部分。即行波函数乘以镜面的透射率九上式是共焦腔模式理论的最基本的结果。本节课教学手段：采用多媒体形式。前面已经叙述了开腔模的物理概念，先回顾自再现模积分方程解的物理意 义、建立激光模式的概念。再求解对称开腔中的自再现模积分方程，了解输出激 光的具体场的分布。让学生了解到解积分方程问题就是要求出一些

30、本征值与本 征函数。它们决定着开腔自再现模的全部特征，包括场分布及传输特性，并以符 号TEMmn表示共焦腔自再现模。共焦腔反射镜面本身构成光场的一个等相位 面。3.高斯光束的传播特性，稳定球面腔的光束传播特性本节课教学目标：1 .在求解对称开腔中的自再现模积分方程，了解输出激光的具体场的分布的基础 上，研究高斯光束的传播特性。2 .共焦腔模式理论不仅能定量说明共焦腔震荡模本身的特性，更重要的是它 能够被推广到一般稳定球面腔系统。本节将证明：任何一个共焦腔与无穷多个 稳定球面腔等价，而任何一个球面腔唯一地等价于一个共焦腔。本节课教学内容：一、高斯光束的振幅和强度分布（重点）1 .基横模TEMuo

31、的场振幅Uoo和强度/oo分布分别为：2 .光斑半径3 .模体积二、高斯光束的相位分布（共焦场的等相位面的分布图）三、高斯光束的远场发散角四、高斯光束的高光度五、稳定球面腔的光束传播特性（重点、难点）1 .稳定球面腔的等价共焦腔2 .稳定球面腔的光束传播特性本节课教学手段：采用多媒体形式1 .先回顾求解对称开腔中的自再现模积分方程，了解输出激光的具体场的分布， 再研究高斯光束的传播特性。引导学生了解到高斯光束与普通光束有着很大的 区别，因此研究高斯光束在空间的传输规律.以及光学系统对高斯光束的变换 规律，就成为激光的理论和实际应用中的重要问题。2 .共焦腔模式理论不仅能定量地说明共焦腔振荡模本

32、身的特征.更重要的是，它能 被推广到整个稳定球面腔系统，这一推广是谐振腔理论中的一个重大进展。任何 一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价。而任何一个稳定球面腔唯一地等价于 一个共焦腔。这里所说的“等价“，就是指它们具有相同的行波场。这种等价性深 刻地揭示出各种稳定腔（共焦腔也是其中的一种）之间的内在联系,它使得我们可以利用共焦腔模式理论的研究结果来解析地表述一般稳定球面腔模的特征。4,激光器的输出功率，激光器的线宽极限本节课教学目标：1由于激活介质中的光放大作用、谐振腔内损耗系数的不均匀分布以及驻波 效应和光波场的横向高斯分布，腔内光强是不均匀的。精确计算腔内各点光强是 个复杂的问题。本节由增益

33、饱和效应出发估算稳态工作时的腔内平均光强，并在 此基础上给出粗略估算输出功率的方法。2.激光线宽及频率牵引也是激光器的要特性线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排除的，所以称它为线宽极 限。本节课教学内容：一、均匀增宽型介质激光器的输出功率1 .稳定出光时激光器内诸参数的表达式2 .激光器的输出功率P =1）264+八二、非均匀增宽介质稳态情况下的增益饱和（重点、难点）三、非均匀增宽型介质激光器的输出功率四、激光器的线宽极限1 .造成线宽的原因2 .激光线宽与激光器输出功率成反比输出功率越大，线宽就越窄。这是因为输出功率增大就意味着腔内相干光 子数增多，受激辐射比自发辐射占更大优势，因

34、而线宽变窄。减小损耗和增加腔长 也可使线宽变窄。例如半导体激光器由于腔长只有数仃微米而具有较宽的激光 线宽。若将它与一外反射镜构成外腔半导体激光器则可使线宽显著减小。本节课教学手段：采用多媒体形式讲解让学生明白：1激光器在外界激发作用很弱时，激活介质的小信号增益 系数小于阈值增益系数，激光器无输出。如果外界激发作用增强到小信号增 益系数超过阈值增益系数，腔内光强便会不断增大.但是腔内光强不会无限制 地增加下去，因为当光强越强，消耗的反转粒子数便越多,111于激活介质的增益 饱和作用而使增益系数下降.只要增益系数尚未降至阈值，上述过程就会继续 下去，即光强继续增大，增益系数继续下降.直到增益系数

35、下降到阈值时,增益与 损耗达到平衡，光强不在增大，这时，激光器建立起了稳定的工作状态。2因此 激光器的净损耗以及单纵模的线宽似乎应等于零，但这只是对激光器内物理 过程的一种理想化的近似描述。这种理想情况的物理图像是:腔内的受激辐 射能量补充了损耗的能量,且由于受激辐射产生的光波与原来的光波具有相 同的相位，二者相干叠加使腔内光波的振幅始终保持恒定，因而输出激光在理 想情况下为一无限长的波列，其线宽应等于零。这一矛盾的原因是，我们在分 析激光器振荡过程时，忽略了自发辐射的存在，而实际上自发辐射是始终存在 的。由于和受激辐射相比自发辐射的贡献极其微弱，因而在讨论阈值及输出 功率等问题时可以忽略不计

36、;但在考虑线宽问题时却必须考虑自发辐射的影 响。第四章激光的基本技术1,激光器输出的选模本节课教学目标：从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足应用的需要，为了改善 激光器输出光的时间相性或空间相干性，发展了模式选择。本节介绍如何设计与 改进激光器的谐振腔以获得单模输出的原理本节课教学内容：一、激光单纵模的选取1 .均匀增宽型谱线的纵模竞争2 .非均匀增宽型谱线的多纵模振荡3 .单纵模的选取二、激光单横模的选取1 .衍射损耗和菲涅耳数2 .衍射损耗曲线3 .光阑法选取单横模4 .聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模本节课教学手段：采用多媒体形式讲解让学生明白：1.激光的优点在于它具有良好的方

37、向性、单色性和相干 性。理想激光器的输出光束应只具有一个模式，然而若不采取选模措施，多数激光 器的工作状态往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，光束发散 角较大。含有多纵模及多横模的激光束单色性及相干性差。激光准直、激光加 工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干 涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求 光束仅含有一个纵模。因此，如何设计与改进激光器的谐振腔以获得单模输出是 一个重要课题。然后介绍实现横模选择的几种具体方法、如何在特定跃迁谱线 宽度范围内获得单纵模振荡的方法。2.激光调Q技术，激光锁模技术本节课教学目标：本

38、节讨论了用调Q技术压缩激光脉冲宽度以获得高功率脉冲的方法。为了得到更窄的脉冲，还可以利用锁模技术对激光束进行特殊的调制，使光 束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系，从而使各个模式相干叠加得到超短脉 冲。锁模激光脉冲宽度可达相应的具有很高的峰值功率。本节还 对锁模激光器工作原理作简单介绍。本节课教学内容：一、激光调Q技术1激光谐振腔的品质因数Q2调Q原理（重点）调Q激光器的基本原理:就是通过某种方法使谐振腔的损耗值按规定的程序 变化，从而压缩光脉冲的宽度，大大提高输出峰值功率。调Q的基本过程:在泵 浦开始时，使谐振腔的损耗增大,Q值降低，此时器件振荡阈值变高，振荡不能形 成,上能级反转粒子数密度

39、便有可能大量积累.当积累到最大值（饱和值）时，突 然使谐振腔的损耗变小，Q值突增，这时器件振荡阈值突然变低,激光器振荡迅 速建立，腔内象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒 子数大量被消耗,转变为腔内的光能量，同时输出一个极强的激光脉冲。3电光调Q4声光调Q5染料调Q二、激光锁模技术锁模是进一步对激光进行特殊的调制。技术上利用多纵模输出的激光束，经 过特殊的调制，使其各个纵模之间有了确定的位相关系。1主动锁模2被动锁模本节课教学手段：采用多媒体形式通过讨论让学生明白：为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲,采用了 Q调制技术,它的基本原理 是通过某种方法使谐振腔的损耗S （或Q值

40、）按照规定的程序变化，在泵浦激励 刚开始时,先使光腔具有高损耗8 H,激光器由于阈值高而不能产生激光振荡, 于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。然后在适当的时刻，使腔 的损耗突然降低到8，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受 激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能 量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。普通的脉冲激光 器，光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只有几十kW.调Q激光器，光脉冲的 宽度可以压到ns级，峰值功率也已达到MW.而锁模是进一步对激光进行特 殊的调制。第五章典型激光器介绍1.固体激光器本节课教学目标：一般固体激光

41、器是指没有调Q、倍频、锁模等特殊功能的固体激光器，它是固体激光器的最基本组成形式。本节重点讨论固体激光器的共同部分，即讨论固体工作物质、泵浦系统、冷却与滤光以及连续和长脉冲固体激光器的 阙值、激光输出能量（功率）和效率。在泵浦系统中着重讨论当前最常用的灯 泵浦系统和时可国内外重点发展的激光二极管泵浦系统。本节课教学内容:一、固体激光器的基本结构与工作物质（重点）固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构 成的。红宝石激光器属于三能级系统，红宝石激光器的优点和主要缺点。二、固体激光器的泵浦系统固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。常用的泵浦灯在 空间的辐射都是

42、全方位的，固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。三、固体激光器的输出特性固体激光器的激光脉冲特性四、新型固体激光器1 .半导体激光器泵浦的固体激光器2 .可调谐固体激光器3 .高功率固体激光器本节课教学手段：采用多媒体形式通过讨论让学生明白：红宝石突出的缺点是阈值高（因是三能级）和性能易随温度变化。但具有很 多优点，如:机械强度高，能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态 寿命长，储能大,可得到大能量输出;荧光谱线较宽，容易获得大能量的单模输出;低 温性能良好，可得到连续输出;红宝石激光器输出的红光（0.6943um）,不仅能为人眼 可见，而且很容易被探测接收（目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏 度较高）。因此，红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成 的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆 瓦的峰值功率输出（用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距 试验）。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光 发展上是贡献比较大的一种晶体。