激光原理技术及应用第一章第二章

激光原理技术及应用第一章第二章第1页，课件共73页，创作于2023年2月上课时间：18周，复习1周成绩计算：考勤（10分），作业（30分），考试（60分）参考书：《激光原理技术及应用》李相银等，哈工大出版社

《激光技术》，蓝信钜等，科学出版社《激光原理》，周炳琨等，国防出版q:422575911Email:lxjzbj@126.com课时及考试第2页，课件共73页，创作于2023年2月形形色色的激光第3页，课件共73页，创作于2023年2月激光的原理及技术基础激光工作物质及基本原理光学谐振腔激光器工作原理典型的激光器件激光技术教学内容第4页，课件共73页，创作于2023年2月激光：Laser（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)理论：量子理论1917爱因斯坦（美）诞生：红宝石激光器1960年梅曼（美）

半导体激光器1960年尼古拉.巴索夫（苏）条形码扫描器：1974激光盘播放机:1978CD播放机：1982光纤：1988欧美第一章激光的原理及技术基础第5页，课件共73页，创作于2023年2月500万亿瓦，1000倍美国，400倍中国2012年192束三个足球场10亿分之一秒，2mm国家点火装置(NIF)

第6页，课件共73页，创作于2023年2月2013,4000万度East托卡马克第7页，课件共73页，创作于2023年2月2001建成2011年升级1013瓦6kJ/ns240mm口径神光二号第8页，课件共73页，创作于2023年2月第9页，课件共73页，创作于2023年2月信息传播，存储加工系统：

激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统军事科技：

激光光谱、激光雷达、激光武器。工业：

激光打标、激光打孔、激光裁床、激光切割、激光绣花，激光热处理，激光快速成型。激光的应用第10页，课件共73页，创作于2023年2月医疗卫生：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗。炫酷：影像在空中投影，手表上就可以没有表面，中间悬空显示时间，日常生活：激光灭蚊，也能分辨雌蚊子和雄蚊子之类第11页，课件共73页，创作于2023年2月

光子的基本性质第12页，课件共73页，创作于2023年2月一：高方向性和空间相干性

探照灯：平面发散角10mradW=L×θ激光器：平面发散角10-4mrad激光器的平面发散角：

λ：波长D：光束直径1.1激光的特点第13页，课件共73页，创作于2023年2月例题:激光器的波长λ=2μm,其输出孔径为2m,当其传播到100km距离时，激光束的直径约为多少？激光平面发散角为多少？（1.22m）第14页，课件共73页，创作于2023年2月相干光：频率、偏振方向相同，位相差恒定同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的第15页，课件共73页，创作于2023年2月空间相干性：横向相干性相干长度：

相干截面：

在光束整个截面内的任意两点间具有完全确定的相位关系的光场振动是完全相干的。1.1激光的特点第16页，课件共73页，创作于2023年2月

1.1激光的特点

二、单色性和时间相干性

第17页，课件共73页，创作于2023年2月计算：1为使氦氖激光器的相干长度达到1km，它的单色性应该是多少？(波长632.8nm)2普通光源氪灯发出的波长605.7nm，低温下其谱线半宽度0.47×10-6μm,求其相干长度。第18页，课件共73页，创作于2023年2月相干光源：高的相干光强、大相干面积、长相干时间激光：高单色性、高定向性。单色亮度：太阳光：2.6×10-12W/(cm2.Sr.Hz)气体激光器：10-2~102W/(cm2.Sr.Hz)固体激光器：10~103W/(cm2.Sr.Hz)调Q大功率激光器：104~107W/(cm2.Sr.Hz)1.1激光的特点

三、高亮度和光子简并度第19页，课件共73页，创作于2023年2月

1.1激光的特点

三、高亮度和光子简并度第20页，课件共73页，创作于2023年2月作业：p21T3,4T3:谱线宽度，半宽度？0.63×10-9，是科学计数法？T4频率6×1014Hz单位？简并度的计算出现数量级错误？有效数字问题8.182×10-3还是8.18×10-3的问题第21页，课件共73页，创作于2023年2月原子的内能：电子动能+位能能级：分离的能级E2,E1自发辐射受激吸收受激辐射1.2激光的产生

一原子能级第22页，课件共73页，创作于2023年2月E1：基态能级E2:激光输出能级（亚稳态）E3:抽运激光上能级量子数反转：E2和E1红宝石激光器半数以上的粒子抽运1.2激光的产生

一、三能级系统第23页，课件共73页，创作于2023年2月E4:抽运能级E3:激光输出能级E2:激光最终能级E1:基态1.2激光的产生

三、四能级系统第24页，课件共73页，创作于2023年2月上能级E2：g2能态，粒子数密度:n2下能级E1：g1能态,粒子数密度:n1热平衡：E2>E1,T>0有：粒子数反转：1.2激光的产生

四、粒子数反转条件第25页，课件共73页，创作于2023年2月激光工作物质：粒子数反转，产生激光

固体、液体、气体、自由电子泵浦源：光能、电能、化学能、原子能光学谐振腔:全反射镜，部分透射镜1.3激光器的基本组成

一、基本结构第26页，课件共73页，创作于2023年2月凹面反射镜：凸面反射镜：平面反射镜：

其中R:曲率半径，f:焦距

S:物距，S’:相距1.3激光器的基本组成

一、基本结构第27页，课件共73页，创作于2023年2月几种谐振腔：半共焦腔非共焦平凹腔1.3激光器的基本组成

一、基本结构第28页，课件共73页，创作于2023年2月波长：X射线到毫米波波段功率密度：1019W/cm2脉冲：6×10-15s1固体激光器：广泛；红宝石、掺钕钇铝石榴石、钕玻璃激光器、钛宝石；2.气体激光器：He-Ne,He-Gd,Ar+,N2,CO2,准分子激光器大功率3.半导体激光器：小，长寿，价低1.3激光器的基本组成

二、激光器种类第29页，课件共73页，创作于2023年2月4染料激光器：连续调谐5.化学激光器：波长范围大，定向能武器，HF2.7um，3MW6.自由电子激光器1.3激光器的基本组成

二、激光器种类第30页，课件共73页，创作于2023年2月光线在谐振腔内的行为稳定腔：能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振腔的腔。双凸腔：为非稳腔1.4光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件第31页，课件共73页，创作于2023年2月共焦腔条件：R1=R2=RL=Rf1=f2=f=R/2光线在共焦腔内的行为

第32页，课件共73页，创作于2023年2月

凹面镜组成的非稳谐振腔第33页，课件共73页，创作于2023年2月稳定腔腔长L，曲率半径R1,R2,记J1=1-L/R1,J2=1-L/R2稳定腔条件：（1）平凹腔：R2>L(2)双凹腔：R1>L,R2>L,或R1<L,R2<L,R1+R2>L(3)凹凸腔：R1>L,R1+R2<L或R2>R1-L稳定条件第34页，课件共73页，创作于2023年2月非稳腔：J1J2>1或J1J2<0，傍轴光线有限溢出腔外（1）双凸腔（2）平凸腔（3）平凹腔0<R<L,(4)双凹腔：R1<L,R2>L,即J1J2<0或R1+R2<L，即J1J2>1（5）凹凸腔:R2<0,0<R1<L,即J1J2<0或R2<0,R1+R2>L,即J1J2>1。R1，R2分别为凹、凸面镜的曲率半径非稳腔第35页，课件共73页，创作于2023年2月J1J2=0或J1J2=1的腔。（1）对称共焦腔：R1=R2=L,即J1=0,J2=0；（2）平行平面腔：J1=J2=1（3）共心腔：L=R1+R2,J1J2=1临界腔介于稳定腔和非稳腔之间。临界腔第36页，课件共73页，创作于2023年2月振荡模式：振荡频率和场强的空间分布。电磁场空间分布：沿传播方向（腔轴方向）的E（z),

垂直于传播方向：E(x,y)。在腔内可能存在的稳定光场的本征态。1.5激光振荡模式第37页，课件共73页，创作于2023年2月纵模，沿腔轴线方向电磁场的本征态，纵向光场分布.纵模数多，单色性差。

横模，在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态，横向光场分布光腔模式第38页，课件共73页，创作于2023年2月谐振条件：形成激光a,b,c相位差2π的整数倍设腔长L,折射率η，则：由谐振条件：谐振频率：谐振频率间隔差：激光的纵模第39页，课件共73页，创作于2023年2月腔长30cm的He-Ne激光器线宽1.5×109Hz，频率间隔：第40页，课件共73页，创作于2023年2月L=10cm的He-Ne激光器Ne原子发射波长0.6328um的荧光线宽1.5×109Hz。单纵模激光器多纵模激光器：L=30cm时，线宽5×108Hz，出现三个纵模第41页，课件共73页，创作于2023年2月影响纵模数的因素：荧光线宽，谐振频率间隔线宽越大，纵模数越多；谐振腔的频率间隔越小(L越大），纵模数越多CO2,10.6um光谱线宽度：108Hz，腔长1m，频率间隔：Δν=c/2ηL=1.5×108Hz，单纵模氩离子激光器0.5145um，光谱线宽度6.0×108Hz，腔长1m时纵模间隔：1.5×108Hz，多模Nd3+-YAG1.06um的光谱线宽度1.95×1011Hz，多模第42页，课件共73页，创作于2023年2月横向强度分布TEMmnq，mn，横模指数，m,n越大，图形越复杂，偏离光传播轴线越远基横模光强高斯形，光场分布均匀。高阶横模分布不均匀，发散角大。q纵模指数,q越大，纵模数越多激光的横模第43页，课件共73页，创作于2023年2月减少激光模式数，改善方向性，提高单色性；激光选模第44页，课件共73页，创作于2023年2月由0<J1J2<1作图：J1=1-L/R1,J2=1-L/R2，一个光学谐振腔（R1,R2,L)对应一个点如平凹腔：L<R2<∞谐振腔稳定图第45页，课件共73页，创作于2023年2月例题：一个双凹腔的曲率半径为R1=100cm,R2=150cm，求腔长L在什么范围内是稳定腔？非稳定腔？作业：P21T5,6第46页，课件共73页，创作于2023年2月光腔损耗：工作物质内部损耗谐振腔的损耗1.6光腔的损耗和激光振荡的阈值条件第47页，课件共73页，创作于2023年2月

透射光

腔内元件

谐振腔晶面的散射和吸收衍射损耗：尺寸、模式。横摸指数越高，衍射损耗越严重。谐振腔损耗第48页，课件共73页，创作于2023年2月不均匀：折射、发射能级：吸收光子气体激光器均匀性好于固体激光工作物质内部损耗第49页，课件共73页，创作于2023年2月平均单程损耗因子δ。往返一次：We0为t=0时的光子密度往返m次：所需时间为t：令谐振腔内光子寿命第50页，课件共73页，创作于2023年2月当考虑到增益系数G，有：当G>δ时，光子数增加第51页，课件共73页，创作于2023年2月平行平面腔反射率r1、r2,不完全反射损耗系数δr：则：谐振腔内损耗δ内，则总损耗因子δ为：光强随距离z变化：阈值条件：激光振荡阈值条件第52页，课件共73页，创作于2023年2月谐振腔品质因子Q:知：则：由得：谐振腔的品质因子与光谱线宽度第53页，课件共73页，创作于2023年2月自然加宽：

Q值越高，线宽越窄，单色性越好第54页，课件共73页，创作于2023年2月稳定的激光增益等于损耗，Q值无穷大；自发辐射的影响纵模频率：频率漂移：折射率和温度He-Ne激光器，百分之一，106Hz，单模激光的线宽极限第55页，课件共73页，创作于2023年2月2.1黑体辐射与普朗克公式绝对黑体：完全吸收投射于它的任何频率的电磁辐射的物体。热辐射（温度辐射）：从任一物体发出的电磁辐射。黑体辐射：黑体内部辐射的能量等于吸收能量时，黑体内部存在的辐射场。第二章激光工作物质及基本原理第56页，课件共73页，创作于2023年2月黑体辐射是黑体温度T和辐射频率ν的函数单色能量密度：单位体积内频率处于ν附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量。单位：J.m-3.s与腔体的材料和结构无关。普朗克：光量子：ε0=hν黑体辐射第57页，课件共73页，创作于2023年2月模式：振子的振动状态。温度T的热平衡条件下，黑体辐射分配到每个模式上的平均能量：单位体积、频率在ν→dν间隔的光波模式数：黑体辐射普朗克公式：玻尔兹曼常数k=1.38062×10-23J/oC普朗克公式第58页，课件共73页，创作于2023年2月黑体辐射是辐射场和物质原子相互作用的结果。自发辐射、受激辐射、受激吸收自发辐射光和物质的三种相互作用第59页，课件共73页，创作于2023年2月自发辐射几率A21：单位时间内n2个高能态上的原子发生自发跃迁的原子数（dn21/dt)与n2的比值(dn21)sp为自发辐射引起的由E2向E1跃迁的原子数单位时间内E2能级上减少的粒子数密度：则有：自发辐射第60页，课件共73页，创作于2023年2月由能级平均寿命：得：比较：得：A21：自发辐射跃迁爱因斯坦系数τs

：自发辐射寿命第61页，课件共73页，创作于2023年2月受激吸收跃迁：处于低能级E1的一个原子，在频率为ν的辐射场作用下，吸收一个能量为hν的光子并向E2能级跃迁。受激辐射跃迁几率W12：A21只与原子本身性质有关，W12与原子本身和辐射场的ρν成正比：B12：受激辐射爱因斯坦系数，只与原子性质有关受激吸收第62页，课件共73页，创作于2023年2月受激辐射：处于高能级E2的原子，在频率为ν的辐射场作用下，跃迁到低能级E1并辐射一个能量为hν的光子，受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率：B21:受激辐射爱因斯坦系数。受激辐射第63页，课件共73页，创作于2023年2月热平衡时：即：得：由于：及玻尔兹曼分布律