第1章_激光基础概述

1、第一章激光基础概述1.1 激光的特点o 激光具有 高定向性，高单色性或相干性B = dfo 辐射学的角度：高亮度dWdSo 统计学：高光子简并度 高方向性（高定向性）由于激光是在谐振腔中振荡输出的光，因此具有很好的方向性，常规激光光束的发散角在 10-6rad 10-6rad 在近似情况下，激光器输出的平面发散角等于光束的衍射角q = q 1.22 lD 光束直径l 激光波长衍D()立体发散角为l2W = W=衍DWL = L q经过一定距离L后的光斑大小激光的相干性（空间相干与时间相干性） 相干：coherent， 即波面各处均存在固定的相位关系空间相干性：空间相干性又可称为横向相干性，由所

2、谓的横向相干长 度D相来干 表征，由光束的平面发散角决 q 定，即= lD相干qs= D2相干D2相干 定义为相干截面s，即相干相干 单色性和时间相干性以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光的t之间存在简单关系，相干时间。单色性和相干时间即相干1Dnt=相干即单色性越好，相干时间越长。有的还用所谓纵向相干长度 L相干来表示相干时间，则有cDn= t.c =L相干相干 高亮度和光子简并度对激光辐射而言，由于发光的高定向性、高单色性等特点， 决定了它具有极高的单色定向亮度Bv。DPB=单位面积，单位带宽，单位立体角的功率vDSDvDW高的光子简并度是激光的本质，它表示有多少个性质完全相同的光子

3、（具有相同的能量、动能和偏振）共处于一个波型（或模式）之内，这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度。DP(2hn / l2 ) DS DWDnn =Bn2hn / l22hnl2 n =Bn=n可以看出，单色定向亮度和光子简并度是两个彼此相当的物理量，但是从激光物理过程来说，无疑光子简并度是更本质、更直接的物理量。o 激光的光束传播用光学矩阵的方法描述激光具有能量的高度集中性激光光束传播的高度定向特性 因此可以近似将激光束抽象为近轴光线来处理2. 激光的产生一、原子能级原子内部的电子可以通过与外界交换能量从一种 运动状态改变为另一种运动状态，对于每一种运 动状态，原子具有确定的且不连续的内部

4、能量值， 称原子的每一个内部能量值为原子的一个能级。E激发态E2E1基态自发辐射光和物质的三种相互作用受激辐射受激吸收三能级系统E3抽运能级在、E1E这2两个能级间快速衰变激光输出能级（亚稳态能级）E2泵浦抽运实现了粒子数反转， E上粒2子跃迁回 E1时， 产生受激辐射， 从而产生激光。激光跃迁基态与激光最终能级E1三能级系统简图 典型的红宝石激光器就属于三能级系统。四能级系统E4抽运能级快速衰变激光输出能级（亚稳态能级）泵浦抽运E3激光跃迁E2激光最终能级快速衰变E1基态四能级系统简图典型的 Nd 3+ -激Y光AG器、钕玻璃激光器等都属于四能级系统。粒子数反转条件a、正常能级粒子数分布n2

5、 / g2单位体积中处于上能级的粒子和下能级的粒子的玻尔兹曼分步率为= e-( E2 -E1 ) / kTn1 / g1由于有E且2 E1 ，所T以热0平衡时，E2nnn1E2g2g1E1满足上式得粒子数分布， 称为粒子数反转分布。g= g粒子数反转分布（ 21 ）3. 激光器的组成一、基本结构全反射镜输出镜激光器基本结构激光工作物质激光输出泵浦源（激励源）泵浦源激光器示意图光学谐振腔激光工作物质谐振腔o 作用：光学正反馈形成激光持续振荡；对振荡光束的方向、频率形成限制，保证单色性与方向性o 类型：平行平面腔n 凹面腔n 平凹腔规定：o凹反射镜：R 0f = R / 2 0R 0f= R /

6、2 0o凸反射镜：o平面镜：R = f= R /2 = o高斯公式：1 + 1= 1fS SS为物距，S为相距，f为反射镜焦距二、激光器种类1. 固体激光器2. 气体激光器3. 半导体激光器4. 染料激光器5. 化学激光器6. 自由电子激光器红宝石激光：0.6943mm，脉冲107WoooooooooooYAG激光：1.064mm，连续，脉冲（几百兆瓦） 钛宝石激光0.661.18mm可调协，飞秒He-Ne：0.6328mm，连续He-Cd：0.4416mm，0.325mm，0.532mm，0.5373mm准分子激光：KrF激光0.248mm脉冲Ar离子激光： 0.488mm，0.5145mm

7、CO2激光：10.6mm半导体： 0.448mm化学激光器：氟化氘（HF）2.7mm 自由电子激光器：28mm，脉冲连续脉冲4.光线在谐振腔内的行为谐振腔的稳定条件o 光线在谐振腔内的振荡双凸腔L =f = R / 2 0R1 = R2 = R 0RL入射平行光S=，则S=f 0R1 = R2 = R 04.光线在谐振腔内的行为谐振腔的稳定条件为达到光被不断放大、激发的目的，要求谐振腔能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振腔，满足这一要求的腔称为稳定腔。LLL= 1-，J= 1-令 J12RR210 J1J2 0，当R2L双凹腔：R1L,R2L;或R1L,R2L凹凸腔： R10,R2L, R1+

8、R2L或 R2R1-L谐振腔J1J2 1 或o非稳定腔：平-凸腔：R1=，R20 双凸腔：R10,R20,R2R10,J1J2L,J1J21平凹腔：0RL，J1J20双凹腔： R1L, J1J20;或 R1+R21临界腔：满足条件J1J2 = 1 或J1J2 = 0o临界腔：平行平面腔：R1=R2对称共焦腔：R1=R2=L共心腔： J1=-R2?/R11J2=-R1/R2LL= 1-J= 1-J谐振腔稳定图21RR12o例如平凹腔： R1=, D点J2=1(R2=)， K点J2=0(R2=L)J1=1MJ2非稳非稳DLR 0, R 01J1=-10,所以J2必须:2非稳非稳N-1J200.5LR2 d激光振荡阈值条件11d = d腔内总损耗（单程）：+lniner2Lr r1 2diner反射镜不完全所致损耗为腔内其它损耗光子在谐振腔给所获得的增益只有大于或等于腔内总损耗系数时，激光才能形成振荡。以平行平面腔为例，其阀值条件为G d = d+1 ln1iner2Lr r1 2谐振腔品质因子人们常用品质因子来描述谐振腔的性能，并定义E其中：E腔内能量，E腔内耗能，v0为谐振频率Q = 2p v0DE在激光谐振腔中DE = d c NVhvN 光子数密度E = NVhvhQ = n 01Dv =