激光的基本技术(1)
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激光技术介绍(1)
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激光武器： 激光武器： 激光武器有它的独特性，令它被广泛应用于防 空，反坦克，轰炸机自卫等军事用途.激光之 所以能成为威力强大的武器，是因为它有三个 层次的破坏能力: 1.烧蚀效应 跟激光热加工原理一样，当高 能激光束射到目标时，激光的能量会被目标的 材料吸收，转化为热能.这些热能足以令目标 部分或完全穿孔，断裂，熔化，蒸发，甚至产 生爆炸. 2.激波效应 如目标材料被气化，目标材料 会在极短时间内产生反冲作用，形成压缩波使 材料表面层裂碎开，碎片向外飞时造成进一步 破坏. 3.辐射效应 目标材料气化的同时会形成等 离子体云，能产生辐射紫外线及X光线，使目 标内部的电子零件被破坏。
7、激光蚀刻 、
Laser lithography
• 激光蚀刻技术比传统的化学 蚀刻技术工艺简单、可大幅 度降低生产成本，可加工 0.125～1微米宽的线，非常 适合于超大规模集成电路的 制造。
八、激光的发展 激光的发展
• 激光手术： 激光手术： • 激光能产生高能量﹑聚焦精确的单色光﹐具有 一定的穿透力﹐作用于人体组织时能在局部产 生高热量。激光手术就是利用激光的这一特点 ﹐去除或破坏目标组织﹐达到治疗的目的。主 要包括激光切割和激光换肤。
四、激光的特性 激光的特性
• 激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色 光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高 能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打 孔。以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮 熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上鉆出一个小孔。 激光拥有上述特性，并不是因为它有与别不同的光能， 而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原 因。 • 激光有以下三大特性： • · 单色波长 • · 同调性 • · 平行光束
激光多普勒原理(一)
激光多普勒原理(一)激光多普勒什么是激光多普勒？•激光多普勒是一种使用激光技术来探测目标物体相对运动速度的测量方法。
•多普勒效应是指当光源和物体相对运动时，光的频率会发生变化的现象。
•激光多普勒利用多普勒效应原理，通过测量激光的频率变化来计算出目标物体的速度。
原理解析1.激光的发射和接收–使用激光器发射一束单色激光。
–通过透镜将激光聚焦成一束细小的光斑照射到目标物体上。
–反射的激光经过透镜再次聚焦到光电探测器上。
2.多普勒效应的测量–当激光照射到静止物体上时，反射回来的激光频率和发射时的激光频率相同。
–当激光照射到运动的物体上时，反射回来的激光频率会发生变化。
–若目标物体远离光源运动，反射回来的激光频率较发射时的激光频率低，称为红移。
–若目标物体靠近光源运动，反射回来的激光频率较发射时的激光频率高，称为蓝移。
3.计算目标速度–利用多普勒效应的原理，可以通过测量激光频率的变化来计算目标的相对速度。
–通过测量反射激光的频率变化，可以得到目标物体的速度大小和方向。
–根据频率变化的大小和方向，可以判断目标物体是远离还是靠近光源运动，以及速度的快慢。
应用领域•汽车行业：激光多普勒可以用于测量车辆的速度和距离，常用于自动驾驶系统和车辆防撞系统。
•气象学：激光多普勒雷达可以用于测量风速和风向，用于天气预测和气象研究。
•医学领域：激光多普勒可用于测量血流速度和方向，常用于心血管疾病的诊断和治疗。
•航天领域：激光多普勒可以用于测量卫星和火箭的速度和轨道参数，用于航天器的导航和控制。
结论激光多普勒作为一种先进的测量技术，可以准确地测量目标物体的速度和方向。
其原理简单，应用领域广泛。
在各个领域的科研和工程中，激光多普勒都扮演着重要的角色，为人们的生活带来更多便利和安全。
工作原理1.激光的发射和接收–激光器将光能转换为一束单色激光，并通过透镜将激光聚焦成一束细小的光斑。
–光斑照射到目标物体上，并反射回来。
–反射回来的激光再次经过透镜聚焦到光电探测器上，光电探测器将光信号转化为电信号。
激光原理、技术与应用课件：4_1_1 激光单纵模的选取
3. 三反射镜法：
➢如图4-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合 所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率 的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦 合
图4-3 三反射镜法
两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：
v短
c
2（L2
L3）
v长
c
2（L1
L2）
只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡，故只 要选取L2 +L3足够小，就可获得单纵模输出。
和单纵模光束。 因此，设计和改进激光器的谐振腔，抑制多模，以获得单模输出是一个
重要课题
4.1.1 激光单纵模的选取
所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种 频率振荡，而其余的频率则均被抑制。
一、均匀增宽型谱线的纵模竞争
核心问题:与饱和效应相关的模式之间的竞争！
回顾思考: 试说明某个频率的光最终要成为激光的 纵模输出，它必须突破几个关口。
➢缺点: 标准具总会带来透射损失对低增益 的激光器(He— Ne激光器）不合适， 但对高增益的激光器（CO2激光器） 则很有效。
四、使用腔内插入F-P标准具法选纵模需要注意：
1. 选择合适的标准具光学长度，使标准具的自由光谱范围
与激光器的增益线宽相当。使在增益线宽内，避免存在
两个或多个标准具的透过峰。
第4章 激光的基本技术
激光技术:通过改变激光振荡或激光辐射的参数，来控制与改善
激光器输出特性（谐振腔控制或腔外控制），使之适合于某一
目的，而发展的各种技术。
调Q
能量 激光放大技术
锁模
峰值功率 短脉冲技术
增益开关
相干性
腔倒空
稳频 注入锁定技术
先进制造技术9激光加工技术(1)
对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、 木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激 光束。
2024/10/13
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三、激光焊接技术（1）
1．激光焊接的工艺特点
按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式： 热导焊和深熔焊。热导焊所用激光功率密度较低（105106 W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后 依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。热导焊焊接模 式熔深浅，深宽比较小。深熔焊激光功率密度高（106107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化 的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使 小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面 张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方
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21
三、激光焊接技术（7）
可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将 获得迅速发展，成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。
(2) 导光和聚焦系统 导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚 焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚 焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要 的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能 会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应(透镜受热膨胀焦 距缩短)；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质 量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。
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三、激光焊接技术（2）
方向移动时，小孔前方 熔化的金属绕过小孔流 向后方，凝固后形成焊 缝（图1）。这种焊接 模式熔深大，深宽比也 大。在机械制造领域， 除了那些微薄零件之外， 一般应选用深熔焊。
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三、激光焊接技术（3）
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三、激光焊接技术（1）
1．激光焊接的工艺特点
按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式： 热导焊和深熔焊。热导焊所用激光功率密度较低（105106 W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后 依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。热导焊焊接模 式熔深浅，深宽比较小。深熔焊激光功率密度高（106107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化 的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使 小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面 张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方
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三、激光焊接技术（7）
可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将 获得迅速发展，成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。
(2) 导光和聚焦系统 导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚 焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚 焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要 的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能 会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应(透镜受热膨胀焦 距缩短)；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质 量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。
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三、激光焊接技术（2）
方向移动时，小孔前方 熔化的金属绕过小孔流 向后方，凝固后形成焊 缝（图1）。这种焊接 模式熔深大，深宽比也 大。在机械制造领域， 除了那些微薄零件之外， 一般应选用深熔焊。
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三、激光焊接技术（3）
激光基本概述范文
激光基本概述范文激光是一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是一种能产生激光的装置，通常由激发源、增益介质和光腔三部分组成。
激光由于其特殊的性质，在科研、医疗、通信、材料加工等多个领域有着广泛的应用。
激光的单色性是指激光具有极窄的频率谱线，一般能够达到很高的频率稳定性。
这是由于激光的产生依赖于特定的能级跃迁，因此能够产生具有固定频率的光波。
与其他光源相比，激光的单色性使得其具有更强的穿透力和辨识能力。
激光的相干性是指激光光束中的光波具有非常好的相位关系。
这种相位关系使得激光光束能够形成明亮、锐利、高对比度的干涉条纹。
相干性使得激光在干涉、衍射和散射等方面有着独特的应用，例如激光干涉测量和激光全息术等。
激光的方向性是指激光光束能够在相当长的距离上保持较小的光束发散角度。
这是由于激光的光波具有在空间上高度一致的波前形状，能够通过适当设计的光学系统将光束聚焦成较小的点。
激光的方向性使得其在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
气体激光器利用气体放电产生激发能级，再通过受激辐射过程产生激光。
常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
固体激光器利用固体增益介质，通过光泵浦方式产生激发能级，再进行受激辐射过程得到激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、激光二极管等。
半导体激光器是利用半导体材料的特殊性质产生激光，这类激光器尺寸小、功耗低，广泛应用于光通信和激光打印等领域。
激光的应用十分广泛，其中激光切割是一种主要的激光材料加工方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割和雕刻领域。
激光打印技术利用激光的单色性和方向性，可以高速、高质量地实现文件和图像的打印。
此外，激光还在医疗领域有着广泛的应用，例如激光治疗和激光手术等。
总之，激光作为一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同有气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
激光知识点总结
激光知识点总结一、激光的工作原理激光是由激光管或半导体激光器等激光器件产生的一种特殊的光，其产生过程涉及到激发、放大和辐射三个过程。
激发过程是激光器内部能级的粒子被外部能量激发，处于高能级，即被激发态。
放大过程是被激发态的粒子受到反射膜的作用，在激光谐振腔内不断来回运动，使得光子通过受激辐射不断放大，形成激光能量。
辐射过程是形成激光光束的过程，激光能量通过谐振腔的光学放大产生足够的光强，经过半透过膜射出。
二、激光的分类根据激光器产生的机理、工作波长和应用领域不同，激光可以分为不同的类型。
常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
气体激光器主要包括CO2激光器、氩离子激光器等，工作波长主要在10.6微米和0.5微米左右。
固体激光器主要包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等，工作波长主要在1微米左右。
半导体激光器主要包括GaAs激光器、InGaN激光器等，工作波长主要在可见光和红外光区域。
三、激光的应用激光在各个领域都有着广泛的应用，包括医学、通信、材料加工等。
在医学领域，激光可以用于手术、治疗、检测等，例如激光近视手术、激光溶脂手术等。
在通信领域，激光可以用于光纤通信、激光雷达等，实现了信息的高速传输和大容量存储。
在材料加工领域，激光可以用于切割、焊接、打标等，高精度、高效率、非接触等优点，深受制造业的青睐。
四、激光的安全问题激光的应用虽然带来了很多便利，但同时也伴随着一些安全问题。
激光具有高能量密度、强聚焦性和直线传播性，如果被不当使用，可能会导致眼睛、皮肤等组织的损伤。
因此，在激光使用过程中，需要采取一系列的安全措施，包括佩戴防护眼镜、设置相应的警示标识、限制激光输出功率等，确保激光的安全使用。
总之，激光作为一种重要的光学技术，在科研和工程实践中有着广泛的应用，具有很高的经济和社会效益。
通过深入理解其工作原理、分类和应用等，可以更好地把握激光的特点和优势，更好地应用于实际工作中。
激光技术1
（1） 自发辐射
没有外界干预 E2 E1
E2 .
h E2
。 h
E1
发光前
E1 .
发光后
A N 单位时间内，因自发辐射跃 d N21
迁而产生的光子数的密度为 dt
21 2
A21自发辐射系数，物理意义
1、光与物质的相互作用
d N2 d N21 A21N2 d t
d N2 N2
一种特殊的激发态，寿命特别长，10-4~1秒 亚稳态
如铬离子、氦原子、二氧化碳等粒子中都存在
1、光与物质的相互作用
（2） 受激吸收
原子吸收外来光子能量 hν , 并从低能 级E1 跃迁到高能级E2
E2
E2 E1 h
E2
.
. E1
E1 。
d N12 dt
B12 ( )N1
ρ(ν)外来光单色辐射能量密度
2. 激光器的应用
激光通讯系统方框图
2. 激光器的应用
激光通信与无线通信相比，优点： （i）传递信息容量大，传送路数多。
理论指出，载波频率越高，传输的信息量越大。
以中波无线电通信为例，各电台间互不干扰，每个电台需 要占用10KHz左右的频率范围。收音机的中波波段为1000KHz， 整个波段只能安排100个电台同时广播，拥挤。在厘米波中，每 个电台需占用10MHz的频率范围，整个厘米波段的频带宽度为 103MHz，也只有同时发送100套节目。
红宝石激光器
1、固体激光器
氙灯和红宝石棒平行地 放置在聚光器内的对称 位置上，聚光器内壁抛 光并镀上金属反射层
如果氙灯发出的光足够强，红宝石棒中大量 的激活离子被激发，并使激活离子在激光上、下 能级之间形成粒子数反转；当光的增益超过损耗 时，就产生激光振荡，在部分反射镜一端输出很 强的激光
[精]第一章激光的基本原理为使HE-NE激光器的相干长度达到1KM,
![[精]第一章激光的基本原理为使HE-NE激光器的相干长度达到1KM,](https://img.taocdn.com/s3/m/df515f21ef06eff9aef8941ea76e58fafab045fc.png)
第一章：激光的基本原理1.为使He-Ne激光器的相干长度达到1km,它的单色性∆λ/λ0应是多少?2.设一对激光能级为E2和E1(f1=f2)，相应的频率为v(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：(a)当v=3000MHz，T=300K时，n2/n1=?(b)当λ=1μm，T=300K时，n2/n1=?(c)当λ=1μm，n2/n1=0.1时，温度T=?3.设一对激光能级为E2和E1(f1=f2),相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n1和n2，求（a）当ν=3000Mhz,T=300K时,n2/n1=?（b）当λ=1um,T=300K时, ,n2/n1=?（c）当λ=1um, ,n2/n1=0.1时，温度T=?4.在红宝石Q调制激光器中，有可能将几乎全部Cr+3离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
设红宝石棒直径1cm，长度7.5cm，Cr+3离子浓度为2×1019cm-3，巨型脉冲宽度为10ns，求输出激光的最大能量和脉冲功率。
5.试证明，由于自发辐射，原子在E2能级的平均寿命t s=1/A21。
6.某一分子的能级E4到三个较低能级E1,E2和E3的自发跃迁几率分别是A43=5*107s-1,A42=1*107s-1和A41=3*107s-1，试求该分子能级的自发辐射寿命τ4。
若τ1=5*107s-1，τ2=6*10-9s,τ3=1*10-8s在对E4连续激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n1/n4，n2/n4,n3/n4,并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。
7.证明当每个膜内的平均光子数（光子简并度）大于1时，辐射光中受激辐射占优势。
8．（1）一质地均匀的材料对光的吸收系数为0.01mm-1，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？（2）一光束通过长度为1m的均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受 激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢 原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实 现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而 获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研 制出当时世界上最小的固体激光器，它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
激光原理_第1章_激光的基本理论
2.简并度f——同一能级所对应的不同电子运动状态 的数目(单个状态内的平均光子数)。
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
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0
f2=6
-1
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第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
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四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
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第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
yz第一章_激光的基本原理
二.光波模式和光子状态（相格）
光波模式：在一个有边界条件限制的空间V内，存在的 一系列具有特定波矢 k 的平面驻波。
1.1
19
相 干 性 的 光 子 描 述
1.从波动性描述光波模式 求体积为V的空腔内模式数目。 设空腔为V=Δ xΔ yΔ z的立方体，则沿三个坐标轴方 向传播的波分别应满足的驻波条件为：
4
1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电 子学与微波技术的发展
1954：美国汤斯(C.H.Townes)
前苏联巴索夫(N.G.Basov) 与
普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)
第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)
由于在量子电子学方面的卓越成就和激光器发展上的 突出贡献,普罗霍罗夫,巴索夫和美国物理学家汤斯一
单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示，如 P10图 (1.2.2)所示。
1.自发辐射
处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁，并发射 一个能量为 hv 的光子。这种过程称为自发跃迁。由原 子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
光 的 受 激 辐 射 基 本 概 念
1.2
33
自发跃迁过程用自发跃迁几率A21描述。A21定义为： 单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃迁的原子数与 n2的比值：
zhangyuscaueducn电子科学与技术教研室光电子学是汇集光子学电子学光子技术与电子技术的一门学科电子学研究电子作为信息和能量载体的科学光子学研究光子作为信息和能量载体的科学光子技术相干光的产生激光原理激光原理48学时相干光的控制调制偏转光频率波长变换相干光的检测及应用光电子技术电子技术光与电是兄弟光是波长更短的电磁波lightamplificationstimulatedemission科学技术发展规律基础理论研究新技术产品开发产业激光是一批科学家集体智慧的发明激光受激辐射光放大改变世界的光二十世纪对世界文明最有影响的发明之一1917
激光原理(1-2)
激光原理 . 第一章
集居数反转： 集居数反转：
E
2
> E1, n
2
>
f2 n1. f1
f2 n1 f 1 ）─集居数反转
外界泵浦 受激吸收( 受激吸收
n2 f < 2 n1 f1
) ————受激辐射（ 受激辐射（ 受激辐射
n2 >
（热平衡态） 热平衡态）
（非热平衡态） 非热平衡态）
光放大条件： 光放大条件：
激光原理 . 第一章
激光线宽越小，相干时间越长，反之亦然。 激光线宽越小，相干时间越长，反之亦然。 （3）激光的高亮度（强相干光） 激光的高亮度（强相干光） 光源亮度定义： 光源亮度定义： B =
(P)1 S
意义：单位面积、单位立体角内发射光功率。 意义：单位面积、单位立体角内发射光功率。
光源单色亮度定义： 光源单色亮度定义：
dz
（2）增益系数： 增益系数：
g=
dI ( z ) 1 dz I ( z )
受激吸收与受激辐射之和： 受激吸收与受激辐射之和：
激光原理 . 第一章
dn21 dn dI(z) ∝ ( 12 )st hνdz dt dt = (W21n2 W n1)hνdz 12 = B21hνρ(ν )(n2 n1)dz
,
亦即： 亦即：
Im = (g
0
α)
α
Is
.
结论： 结论：
无关； （1） I m 与激光器本身参数 g 0 , α ，与 I 0 无关； （2）只要激光器足够长，就能形成自激振荡。 只要激光器足够长，就能形成自激振荡。
Im = (g 0 α ) Is ≥ 0,
2．振荡条件
α
激光原理与技术第一章
考核评分
平时成绩15% 期中成绩15% 期末成绩 70% 迟到扣5分，旷课扣10分
学习要求
上课认真做笔记，尽量在课堂理解 课后认真复习，独立完成作业! 否则考试？！
目 录
第1章 概述 第2章 PL/0编译系统 建议：Perl 第3章词法分析程序的自动构造 第4章文法和语言 第5章自顶向下语法分析LL（1）文法
代码优化
t1 = b* c t2 = t1+ 0 t3 = b* c t4 = t2 + t3 a = t4
t1 = b* c t2 = t1 + t1 a = t2
代码优化(code optimization) 代码优化 Intermediate code optimization The optimizer accepts input in the intermediate representation and output a version still in the intermediate representation .In this phase,the compiler attempts to produce the smallest,fastest and most efficient running result by applying various techniques. Object code optimization
1.2 编译过程和编译程序的结构
编译逻辑过程 词法分析 语法分析 语义分析 中间代码生成 代码优化 目标代码生成
词法分析程序
语法分析程序 表 语义分析程序 格 管 理 代码优化程序 中间代码生成程序 错 处 理 出
目标代码生成程序
词法分析
从左至右读字符流的源程序、识别(拼)单词
1-4 激光的基本知识
非辐射跃迁：指不发射光 子的跃迁，它是通过释放 其它形式的能量如热能而 完成的。 （a）图中：E1为基态，作为激光下能级；E3能级的寿命 很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达E2能级；E2 能级寿命比起E1来要长得多，称为亚稳态，并作为激光上 能级。 只要抽运速率达到一定程度，就可以实现E2与E1两个 能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造条件。例如固体 激光器中的红宝石激光器激活粒子——铬离子就属于这类 能级系统。
1-4 激光的基本知识
1917年爱因斯坦就预言 了受激辐射的存在，但在一 般人平衡情况下，物质的受 激辐射总是被受激吸收所掩 盖，未能在实验中观察到。 直到1960年，第一台红宝石 激光器才面世它标志了激光 技术的诞生。 从此激光技术的发展十分 迅速，现已在几百种工作物 质中实现了光放大或制成了 激光器。
因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的 必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能 量，我们称之一过程为激励、抽运或者泵浦。 二、激光器构造 激光工作物质 泵浦源 光学谐振腔
（一）激光工作物质
激活粒子：为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成
粒子数反转的发光粒子。激活粒子可以是分子、原子或离
（二）四能级系统 下图E4能级寿命很短，抽运的激活粒子 立即通过非辐射跃迁的方式到达E3能级；E3能级的寿命 比E4长为亚稳态，作激光的上能级；E2能级寿命很短，热 平衡是基本上是空的，作为激光下能级用，E2能级上的 粒子主要也是通过非辐射跃迁回到基态。 这种能级系统也很容易实现粒子数反转。例如固体激 光器中的钕玻璃激光器以及掺钕钇铝石榴石激光器（YAG） 中的激活粒子——钕粒子便属于这类能级系统。
（b）图：E1是基态，但它不作为激光下能级，而是以E3 和E2分别作为激光上能级和下能级。 在这种三能级系统里，E3的寿命要比E2要长，E2能级 在热平衡条件下基本上是空的。因此，只要抽运一些粒子 到达E3能级，就很容易实现粒子数反转，经受激辐射后到 达E2的粒子可迅速通过非受激辐射跃迁回到基态E1。例如 气体激光器中的氩离子激光器的激活粒子——氩离子就属 于此类能级系统。
激光原理(第1章)
tc ＝ Dt ＝ 1/Dv
上式说明，光源单色性越好，则相干时间越长。
物理光学中曾经证明：在图1.1.4中，由线度为Dx的光源A照明的
S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为 DxLx/R ≤ (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20)
式中 为光源波长。距离光源R处的相干面积 Ac 可表示为
上 述 基 本 关 系 式 (1.1.1) 和 (1.1.3) 后 来 为 康 普 顿 (Arthur Compton)散射实验所证实(1923年)，并在现代量子电动力学中 得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动)理论 和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来， 从而在理论上阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，任意电 磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线 性叠加，或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。但 每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv 的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量 hkl 的整数倍。 这种具有基元能量hvl和基元动量hkl的物质单元就称为属于第 l 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此 间不可区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子 数目是没有限制的。
空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。
当宏观质点沿某一方向(例如：x轴)运动时，它的状态变化对应 于二维相空间(x, Px)的一条连续曲线，如图1.1.2 所示。但是，
光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力
学测不准关系的制约。
测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，
hv
式中 h＝6.626×10-34Js，称为普朗克常数。
激光原理及应用复习资料(1)
3. 为什么自然界没有天然的增益介质 自然界中物质种类丰富，并不是每一种介质都能够产生激光，作为激光增益介质， 这种介质必须具有适于产生受激辐射的能级结构，即有三个或三个以上的能级， 这样才能够实现粒子数反转分布，它可以是气体、液体或固体状态，还要具有良 好的光学特性，如光学性质均匀，光学透明性良好，且性能稳定，以及具有有较 高的量子效率。现有能够作为激光增益介质的材料种类繁多，可产生的激光波长 覆盖从真空紫外到红远外波段。
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
第1章-激光的物理基础
k 2z q 2
k q z
x
结论
z
(jiélù
y
n)
➢ 不同(bù tónɡ)的光波模式以不同(bù tónɡ)的波矢k来区分
➢同一波矢k对应着两个(liǎnɡ ɡè)具有不同偏振方向的模
2022/1/22
15
第十五页，共76页。
2.空腔内的光波(guāngbō)模式数
设空腔为V xyz的立方体,则波矢k的三个分量 应满足条件:
在六维相空间， 子一 态个 所光 占的体积元为：
xyzP xPyP zh3
一个光子态对应间 的体 相积 空元称为相格
一个光子态所占的坐标空间体积为：
xyz
h3
PxPyPz
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24
第二十四页，共76页。
3.光子(guāngzǐ)状态数
计算 V 内 空， 间 P 动 ~ 体 P d 量 P 积 区处 间于 的
2 h
2 kn 0
n0为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。
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21
第二十一页，共76页。
(4)光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个 独立偏振方向。
(5)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光子的 集合，服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光 子数目是没有(méi yǒu)限制的，这是光子与其它服从费米 统计分布的粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。
其中(qízhōng)， 为 光程差
频率在 0
/2～ 0
某一考察点处干涉的强度为
/2的非单色光在空间(kōngjiān)
I2I01sinccos2c0
c
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4-4激光器的基本技术-激光器调制技术
图(4-23) 相位调制装置示意图
3 2π 0 U出 = A cosωt + 0 + γ 63 Ez l U出 = A cos(ωt + β sin ωmt ) 2 λ
3 π0 ，β = γ 63 Em l 为相位调制度 λ
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4.4.3 电光相位调制
4. 外加 压为 压( 压 )， = V0 sin ωt ， V 出光强 形。 π π V0 1 V I = I 0 sin 2 = I 0 sin 2 [ + sin ωt ] = I 0 [1 + sin(π 0 sin ωt )] 2 4 2 Vπ sin ωt I 0 2 2 Vπ
I (t ) ∝ E 2 (t ) = E0 2 cos 2 (ω0t + )
a(t ) = Am cos ωmt
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补充1 电光效应 补充1
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
§ 4 4 激 光 调 制 技 术 .
e光 光 o光 光
1. 双折射现象(如右下图所示) 2.电光效应:晶体加上电场后,由于电场的作用使晶体在沿光轴方向产生了感应双 折射 (如左下图所示) ▲晶体中寻常光和非寻常光的振动面相对不加电场时旋转45度角
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4.4.2 电光强度调制
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
§ 4 4 激 光 调 制 技 术 .
1.图(4-21)(a)是一个典型的电光强度调制的装置示意图。它由两块交叉偏振片及 其间放置的一块单轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。 2.设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电 矢量振幅为E，则： 通过晶体后沿快轴 x' 和慢轴 y ' 的电矢量振幅都变为 E 2 2π 3 沿 x' 和 y ' 方向振动的二线偏振光之间的位相差 δ = 0 γ 63V 通过通振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图4－21(b))分 E 别为 Ex ' y ， y ' y ，则有Ex ' y = E y ' y = E 2 ，其相互之间的位相差为 δ + π 。则有： 1 2 E '2 = Ex2' y + E y ' y + 2 Ex ' y E y ' y cos(δ + π ) = E 2 (1 cos δ ) 2 3 2 2 2δ 2 π0 γ 63 I = E ' = E sin = I 0 sin V 2 λ
3 2π 0 U出 = A cosωt + 0 + γ 63 Ez l U出 = A cos(ωt + β sin ωmt ) 2 λ
3 π0 ，β = γ 63 Em l 为相位调制度 λ
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4.4.3 电光相位调制
4. 外加 压为 压( 压 )， = V0 sin ωt ， V 出光强 形。 π π V0 1 V I = I 0 sin 2 = I 0 sin 2 [ + sin ωt ] = I 0 [1 + sin(π 0 sin ωt )] 2 4 2 Vπ sin ωt I 0 2 2 Vπ
I (t ) ∝ E 2 (t ) = E0 2 cos 2 (ω0t + )
a(t ) = Am cos ωmt
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补充1 电光效应 补充1
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
§ 4 4 激 光 调 制 技 术 .
e光 光 o光 光
1. 双折射现象(如右下图所示) 2.电光效应:晶体加上电场后,由于电场的作用使晶体在沿光轴方向产生了感应双 折射 (如左下图所示) ▲晶体中寻常光和非寻常光的振动面相对不加电场时旋转45度角
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4.4.2 电光强度调制
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
§ 4 4 激 光 调 制 技 术 .
1.图(4-21)(a)是一个典型的电光强度调制的装置示意图。它由两块交叉偏振片及 其间放置的一块单轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。 2.设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电 矢量振幅为E，则： 通过晶体后沿快轴 x' 和慢轴 y ' 的电矢量振幅都变为 E 2 2π 3 沿 x' 和 y ' 方向振动的二线偏振光之间的位相差 δ = 0 γ 63V 通过通振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图4－21(b))分 E 别为 Ex ' y ， y ' y ，则有Ex ' y = E y ' y = E 2 ，其相互之间的位相差为 δ + π 。则有： 1 2 E '2 = Ex2' y + E y ' y + 2 Ex ' y E y ' y cos(δ + π ) = E 2 (1 cos δ ) 2 3 2 2 2δ 2 π0 γ 63 I = E ' = E sin = I 0 sin V 2 λ
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图4-5 不同腔的衍射损耗曲线
7
高阶横模的抑制
抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的 衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较 大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。 下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。 光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小 增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加 高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法 就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的 气体激光器）。 聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。
12
4.2.3 兰姆凹陷法稳频
兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率 ν0 ，在其附近频率的微小 变化将会引起输出功率的显著变化。
图4-3 三反射镜法
这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2； 另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3， 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3) 只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就 可以获得单纵模输出
m
2d
mc
2 2 sin2
获得最大透射率的两相邻频率间隔
m
2d
c
2 2 sin2
图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图
适当的调整 角，就可以达到选频的目的
4
三反射镜法选纵模
激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反 射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜
第4章 激光的基本技术(1)
4.1 激光器输出的选模 4.2 激光器的稳频
1
4.1.1 激光单纵模的选取
均匀增宽型谱线的纵模竞争
(1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增 益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。
(2) 多纵模的情况下，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔 内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长， 最后变为曲线3的情形。
0 I ()2d I0
0
exp(
2 2 12
)d
2
I0
2
12
'
a
I
()2d
I0
2
12
exp(
2a2
12
)
D
exp
2a2
12
(4) 分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，
它定义为
N a2
L
D
exp
2N
1
L
6
衍射损耗曲线
衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出 解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是 将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线 图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 D～N 曲线
2
非均匀增宽型谱线的多纵模振荡
非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
单纵模的选取
(1) 短腔法：
➢ 两相邻纵模间的频率差 νq c (2L) 单一纵模的输出，只要缩短腔ν长q ，使
，要想得到 的宽度大于增
益曲线阈值以上所对应的宽度
➢ 缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽
度很宽时，势必使腔长缩到很短。
(2) 法布里-珀罗标准具法。
(3) 三反射镜法。
3
用法布里－波罗标准具选纵模
在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里－波罗标准具， 可以进行纵模的选取
法布里－波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有
高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频
率带宽的光通过，其透过光的频率为
5
4.1.2 激光单横模的选取
衍射损耗和菲涅耳数
(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。
(2) 如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基 横模高斯光束光强分布可以表示为
I
(
)
I0
exp(
2 2 12
)
图4-4 腔的衍射损耗
(3) 单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功
率之比
S ν ν
复现性：激光器在不同地点、时间、 环境下使用时频率的相对变化量 R
ν
ν
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：
ν q c
2L
当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：
ν ( L )
ν
L
一般希望稳定度和复现度都在10-8以上。目前稳定度一般在10-9 左右，较高的可达10-11~10-13；复现度一般在10-7左右，高的可 达10-10~10-12。
10
影响频率稳定的因素
腔长变化的影响 温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔 机械振动：采取减震措施 折射率变化的影响 内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略 外腔和半内腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、 气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于 大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动
(3)若此时的光强为Iq，则有G(νq, Iq ) G阈
，于是
振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模
的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，
竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那
个纵模被保持下来。
(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较
强时，也可能有比较弱的其他纵模出现， 如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。 图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
11
4.2.2 稳频方法概述
被动式稳频: 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值 的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵 消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况 主动式稳频：
把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏 离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。 ➢ 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃 迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。 ➢ 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作 为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如 饱和吸收法。
8
聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模
聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使 光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。 腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。
图4-6 聚焦光阑法
图4-7 腔内望远镜法
9
频率的稳定性
稳定度：指激光器在一次连续工作 时间内的频率漂移与振荡频率之比
7
高阶横模的抑制
抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的 衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较 大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。 下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。 光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小 增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加 高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法 就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的 气体激光器）。 聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。
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4.2.3 兰姆凹陷法稳频
兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率 ν0 ，在其附近频率的微小 变化将会引起输出功率的显著变化。
图4-3 三反射镜法
这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2； 另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3， 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3) 只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就 可以获得单纵模输出
m
2d
mc
2 2 sin2
获得最大透射率的两相邻频率间隔
m
2d
c
2 2 sin2
图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图
适当的调整 角，就可以达到选频的目的
4
三反射镜法选纵模
激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反 射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜
第4章 激光的基本技术(1)
4.1 激光器输出的选模 4.2 激光器的稳频
1
4.1.1 激光单纵模的选取
均匀增宽型谱线的纵模竞争
(1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增 益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。
(2) 多纵模的情况下，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔 内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长， 最后变为曲线3的情形。
0 I ()2d I0
0
exp(
2 2 12
)d
2
I0
2
12
'
a
I
()2d
I0
2
12
exp(
2a2
12
)
D
exp
2a2
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(4) 分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，
它定义为
N a2
L
D
exp
2N
1
L
6
衍射损耗曲线
衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出 解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是 将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线 图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 D～N 曲线
2
非均匀增宽型谱线的多纵模振荡
非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
单纵模的选取
(1) 短腔法：
➢ 两相邻纵模间的频率差 νq c (2L) 单一纵模的输出，只要缩短腔ν长q ，使
，要想得到 的宽度大于增
益曲线阈值以上所对应的宽度
➢ 缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽
度很宽时，势必使腔长缩到很短。
(2) 法布里-珀罗标准具法。
(3) 三反射镜法。
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用法布里－波罗标准具选纵模
在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里－波罗标准具， 可以进行纵模的选取
法布里－波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有
高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频
率带宽的光通过，其透过光的频率为
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4.1.2 激光单横模的选取
衍射损耗和菲涅耳数
(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。
(2) 如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基 横模高斯光束光强分布可以表示为
I
(
)
I0
exp(
2 2 12
)
图4-4 腔的衍射损耗
(3) 单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功
率之比
S ν ν
复现性：激光器在不同地点、时间、 环境下使用时频率的相对变化量 R
ν
ν
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：
ν q c
2L
当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：
ν ( L )
ν
L
一般希望稳定度和复现度都在10-8以上。目前稳定度一般在10-9 左右，较高的可达10-11~10-13；复现度一般在10-7左右，高的可 达10-10~10-12。
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影响频率稳定的因素
腔长变化的影响 温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔 机械振动：采取减震措施 折射率变化的影响 内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略 外腔和半内腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、 气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于 大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动
(3)若此时的光强为Iq，则有G(νq, Iq ) G阈
，于是
振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模
的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，
竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那
个纵模被保持下来。
(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较
强时，也可能有比较弱的其他纵模出现， 如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。 图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
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4.2.2 稳频方法概述
被动式稳频: 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值 的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵 消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况 主动式稳频：
把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏 离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。 ➢ 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃 迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。 ➢ 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作 为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如 饱和吸收法。
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聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模
聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使 光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。 腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。
图4-6 聚焦光阑法
图4-7 腔内望远镜法
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频率的稳定性
稳定度：指激光器在一次连续工作 时间内的频率漂移与振荡频率之比