3激光原理与技术.ppt

1、第三章：激光的原理和技术，光辐射的量子理论基础，激光的基本结构和输出激光的特性，激光技术，3.1光辐射的量子理论基础，什么是激光，激光是受激辐射产生的放大相干光。激光的英文名称是“受激辐射光放大”的首字母缩写。激光，什么是相干性？(1)时间相干性：波场中同一点不同时间光波场特征的相关性。这种一致性来自原子发光的不连续性。(2)空间相干性：光波场特征在同一时间波场中不同点的相关性。这种一致性来自光源中不同原子的独立性。1、光子的基本属性，光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1.光子能量。光子质量：3。光子的动量。光子有两种独立的偏振态。5.光子有自旋，自旋量子数是整数，大量光子的集合服从玻色爱因斯

2、坦分布。玻尔假说和粒子的正态分布玻尔假说认为原子有一些不发射或吸收电磁辐射能量的稳态。这些原子的稳态只能取一些离散值E1和E2，但不能取其他值。只有当原子从一个稳态转变到另一个稳态时，它们才能发射或吸收电磁辐射。当粒子数按能级分布时，单位体积中每个能级的原子数在热平衡状态下分布。玻尔兹曼分布定律：3。自发辐射，受激辐射和受激吸收，光和物质之间的相互作用，光子频率，自发辐射过程，高能级粒子，自发，低能级粒子。设能量为E2的粒子系统的粒子数密度为N2，受激吸收过程，外光场中频率的能量密度，受激辐射过程，因此，积分上述公式，我们得到，设，为单位时间内从E2能级跃迁到E1能级的概率，则E2能级的粒子数

3、和dt时间内自发跃迁到E1能级的粒子数为-dN2， 它反映了粒子在E2水平的平均停留时间，即粒子在E2水平的平均寿命，简称自然寿命，是影响谱线线宽的因素之一。 原子的能级寿命与原子的结构有关。通常，激发态寿命为10-8s和10-31s的能级态称为亚稳态。事实上，由于碰撞或其他外部干扰，原子能级的寿命比自然寿命(10-8s)小几个数量级。因为受激辐射和受激吸收是由外部光引起的，因此，单位时间的跃迁几率应该与原子周围该频率下的辐射能量密度成正比。因此，它被称为爱因斯坦系数。假设dN21是在dt时间内自发从E2跃迁到E1能级的粒子数，那么，5。爱因斯坦系数，在热平衡状态下，单位时间内被激发吸收的光子

4、数应该等于被激发和自发发射的光子数。因此，或者说，玻尔兹曼正态分布是3330。根据普朗克公式：通过将上述公式与以前的公式进行比较，得出结论：要使上述公式的两端对任何h/kT值都成立，相应的系数必须相等。也就是说，上述两种关系称为爱因斯坦关系，尽管它们是在热平衡条件下导出的，但它们仍然适用于一般情况。即单位时间内粒子从E1能级跃迁到E2能级的概率。粒子数分布相反，受激辐射占主导地位。为了获得光学放大，N2 N1，6。谱线展宽和线性函数，非均匀展宽，均匀展宽，碰撞展宽，自然展宽，谱线展宽和线性函数，综合展宽，3.2激光产生，必要条件：粒子数反转分布和振荡模式减少充分条件：开始和稳定振荡(形成稳定激

5、光)2。为了产生受激辐射的光学放大，受激辐射的光子数必须大于受激辐射的光子数即：(3)受激辐射的光放大不能在热平衡状态下实现；(4)实现光放大的必要条件是在粒子数反转时泵浦工作物质；(1)布居反转态的特性可以使受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，从而实现受激辐射的光放大。此时，材料处于非热平衡状态，玻尔兹曼分布不成立，或者如果玻尔兹曼分布必须成立，将不可避免地导致热力学温度t为负，即负温度状态。明白负温度状态并不意味着物质的温度真的是负的，而是反映了粒子数反转状态不是热平衡状态，玻尔兹曼分布定律不再有效。(2)粒子数反转的实现为物质提供了能量，也就是泵送(或激发)并打破了热平衡！(3)介质的

6、增益效应、介质对光的增益系数、谐振器振荡模式的选择满足干涉相长条件。谐振器选择的光束方向平行于光轴、减少了振荡模式的数量。当没有谐振器时，受激辐射的方向是随机的。激光形成的阈值条件，光在谐振器3360中遭受各种损失(1)反射镜的透射损失(2)。光在腔内来回传播时不会衰减的条件，即形成激光振荡的阈值条件：2。实现光放大的充分条件，以及激光在活性介质中传输时强度是否会无限放大？g与v、I有关，dI(z)与每单位体积活性物质的净受激发射光子数成正比，并且在稳定振荡条件下产生增益饱和效应，而g随I的增加而减小的现象(想想为什么：)称为增益饱和效应。这意味着在激光建立稳定振荡的过程中，稳定振荡条件不断增

7、加，使G不断减小。直到获得的增益刚好等于激光腔中的损耗，稳定的振荡被建立，形成稳定的激光输出。3.3激光器的基本结构和输出。1.激光器、工作物质、二能级系统的组成不能用光泵方法实现粒子数反转分布，当泵浦光足够强时，激光工作物质和三能级系统可以实现。还可能实现E2和E1能级之间的粒子数反转。红宝石激光器的工作物质是掺有少量铬离子(Cr3)的(Al2O3)晶体。采用光激发的方法：激发和发光都在Cr3上进行，Cr3是典型的三能级系统。四能级系统比三能级系统更容易实现种群反转分布。氦-氖气体激光器是一个四能级系统，用于实现和维持粒子数反转。有电激发、光激发、热激发、化学激发等。从外部吸收能量的过程，使

8、原子系统的原子不断地从低能态过渡到高能态，实现粒子数反转(也称“激发”、“泵浦”或“抽运”)。1)光抽运，如红宝石激光，粒子数反转态，激发系统，2)电子碰撞，如氩离子激光，电子，3)化学反应，如氟化氘激光等。4)共振转移，如氦-氖激光。Ne，He，必须有能使受激辐射和光放大过程继续的结构：全反射镜，半反射镜，物理图，原理图，激光工作物质，光学谐振腔，半反射镜，输出，光放大原理，1。振荡模式是指谐振器中稳定光波的基本形式。m和n表示由这种模式在腔轴上形成的驻波的节点数，称为横向模量。k表示由该模式在空腔轴平面内形成的节点数，称为纵向模量。纵模引起振荡的频率关系横模光场的稳定分布在横向是不同的。2

9、.激光的输出，2。纵向模式只能在具有干涉相长条件的谐振腔中振荡。也就是说，这一轮-，两个相邻的纵向模式频率之间的间隔为，并且数量级估计为：1；n1.0C108 ms:单模线宽，频率梳，实际振荡纵模，是Dn激光工作物质的增益线宽，而He-Ne激光器0.6328 m谱线的宽度是=1.3109 HZ。因此，间隔中可以存在的纵向模式的数量为，并且通过增加纵向模式频率的间隔k，在间隔中只能存在一个纵向模式频率。例如，将管的长度缩短到10，即L/10，从而获得谱线宽度非常窄的激光输出，0.6328米谱线的单色性大大提高。激光器不仅有纵向驻波模式，还有横向驻波模式。原因：不同的空间分布损失是不同的。3。横模

10、、轴对称横模图、旋转对称横模图，要求：横模将根据光斑形状写入，1。方向性好激光发散角小。激光器、激光、氦氖激光经纬仪、月球红宝石激光器、=0.031毫拉德、=410-5毫拉德、3.4激光主要特性、光源、2高亮度、集中能量、太阳、1毫瓦氦氖激光器、高功率激光器、光源亮度-单位面积、单位时间垂直于光。氦氖激光器的亮度为S /r2、P=1毫瓦，约为太阳光的100倍，可熔化所有金属，将所有非金属化为一缕烟雾。激光的波长或频率范围极小，是一种常见的红光。频率范围：激光，氦-氖激光器，中心频率为6328埃，(理论值)中心波长为6057埃，波长范围：氦-氖激光器，中心波长，波长范围：4)良好的相干性，相干性是指光波场中光学振动之间的相关程度。相干性越好，光场各点光振动的频率和振动方向的一致性越好，相位的相关性越好。相干性越好，光场中任意两点作为光源产生的干涉条纹和衍射条纹越清晰。杨氏双缝干涉、单缝、双缝、屏幕、圆孔衍射。注：光的单色性越好，其相干性就越好。两者是统一的。全息照相术中，普通光源的相干长度约为1毫米到几十厘米，而激光可以达到几十公里。全息摄影、全息存储等。利用好连贯性的特点。根据工作物质的分类，3.5激光器类型，固体激光器，红宝石激光器，