第二章激光准直基础学习知识原理
第2章激光基本原理优秀PPT
都表示光场的一种分布，也就是光波的一种模式，或称一种
波型。
讨论光在如图2.1所示的体积为V的各向同性介质中运动时，
可能存在的模式数目
分三种情况讨论
1.在偏振和频率都是一定的情况下，因传播方向不同，
可能存在的模式数目。
对应于从尺度为d的光源发出的波长为λ的光，因衍射限制，在R处
h
Px Py P
(2-20)
c
因为∆很小，故有 ≈ ，所以，∆PZ 的测不准量主要来自频率的测不准量
h
Pz P
(2-21)
c
根据前述的光子态在相空间的体积为 xyzP P P
x
y
z
h
3
h3
c3
xyz
2
VCS
来确定光子的一种状态
在六维相空间（x，y，z，Px，Py，Pz）内，光子的一种状态
所对应的相空间体积元为
上述相空间体积元称为相格。
相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子以动量Px，Py，Pz组成的动量空间内，它的一种运动状态占
据动量空间的体积元
由（2-13）得
上式中的V= ΔxΔyΔz是光子运动的体积。
第2章激光基本原理
【学习目标】
掌握有关激光的基本原理及研究有
关问题的思路和方法，了解激光器
的基本结构、各种类型激光器
【学习要求】
☞ 熟悉光子的基本性质，光波模式、光子态、相
干体积、相格等概念，理解光的相干性
☞ 掌握光的受激辐射概念、爱因斯坦系数之间关
系，理解光的自激振荡，掌握激光振荡条件
激光入门知识讲解
激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光--受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个"受激吸收"过程。
处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
《激光的基本原理》课件
高相干性使得 激光在许多应 用中具有独特 的优势，如激 光通信、激光
雷达等
05
激光的应用
工业制造
激光焊接：用于焊接各种金 属和非金属材料
激光切割：用于切割各种金 属和非金属材料
激光打标：用于在产品上标 记文字、图案、条形码等
激光清洗：用于清洗各种表 面污垢和锈蚀
医学领域
激光治疗：用于皮肤病距：测 量距离、高度、
速度等参数
激光通信：实 现远距离、高 速率的信息传
输
激光加工：切 割、焊接、打 孔等精密加工
激光医疗：治 疗疾病、美容 等医疗领域应
用
06
激光的未来发展
新材料的应用
激光器：新型激光材料可以提高激光器的性能和稳定性 光学器件：新型光学材料可以提高激光的传输效率和稳定性 激光加工：新型材料可以提高激光加工的精度和效率 激光医疗：新型材料可以提高激光医疗的安全性和效果
高方向性
激光束在传播过程中保持高度集 中，不易发散
激光束的传播距离可以非常远， 可以达到几千公里甚至更远
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
激光束的直径可以非常小，只有 几微米甚至更小
激光束的亮度非常高，可以达到 太阳表面亮度的数百万倍
单色性
激光是一种单色光， 其波长非常单一
单色性使得激光在 传输过程中不易发 生色散，从而保证 了激光的稳定性和 准确性
高功率激光器的研究
激光器的发展历 程：从低功率到 高功率的演变
高功率激光器的 应用领域：军事、 工业、医疗等
高功率激光器的 技术挑战：散热 、稳定性、安全 性等
高功率激光器的 未来趋势：更高 功率、更小体积 、更稳定等
激光在新能源领域的应用
激光的基本原理及其特性课件
利用激光的强光束和冲击波去除物体 表面的污垢、油渍等，具有高效、环 保、无损伤等特点。
医疗美容
激光祛斑
利用激光的高能量将皮肤表面的色素 斑点去除，具有祛斑速度快、效果显
著、不留疤痕等特点。
激光脱毛
利用激光的高能量破坏毛囊的生长能 力，从而达到脱毛的效果，具有脱毛 效果好、速度快、安全可靠等特点。
高功率激光在工业、军事、医疗等领域有广泛应 用，如激光切割、激光雷达、激光武器等。
03 技术挑战
高功率激光器的稳定性和可靠性是技术挑战，需 要解决散热、光束质量等问题。
超快激光
01
02
03
超快激光的定义
超快激光是指脉冲宽度小 于某一阈值的激光器，通 常以皮秒或飞秒为单位。
应用领域
超快激光在科学研究ห้องสมุดไป่ตู้工 业制造、医疗等领域有广 泛应用，如光谱分析、微 纳加工、眼科手术等。
单色性好
总结词
激光具有极佳的单色性，其波长范围狭窄，光谱宽度极小。
详细描述
由于激光的频率高度单一，其光谱宽度非常狭窄，这意味着激光的光波波长范围非常稳定。这 种特性使得激光在光谱分析、精密测量等领域具有独特的优势。
亮度高
总结词
激光具有极高的亮度，其能量高度集中，亮度远高于普通光源。
详细描述
激光的亮度取决于其功率和光束面积的比值。由于激光的功率高且光束面积小 ，因此其亮度极高。这种特性使得激光在切割、焊接、打标等领域具有显著的 优势。
技术挑战
超快激光器的稳定性和重 复频率是技术挑战，需要 解决脉冲能量波动、脉冲 时间不稳定等问题。
光子晶体激光器
光子晶体激光器的定义
技术挑战
光子晶体激光器是一种基于光子晶体 原理的激光器，光子晶体是一种具有 周期性折射率变化的介质。
激光经纬仪准直法工作原理、观测方法讲解
激光经纬仪准直法工作原理、观测方法激光是一种新型光源，它具有方向性强、单色性好、亮度高、相干性好的优点。
激光技术在大坝水平位移观测中的应用，大大提高了观测效率和精度，为变形观测的自动化开辟了新途径。
目前在大坝水平位移观测中采用较多的是激光经纬仪准直法。
激光经纬仪
是在普通经纬仪上安装一个激光管，如在JZ型经纬仪望远镜上安装一个氦（He）氖（Ne）激光管便成为J Z—J D激光经纬仪型激光经纬仪。
观测水平位移时由激光经纬仪发射一条可见的红色激光束照准目标，其原理与活动觇标视准线法完全相同。
激光照准的有效射程白天为500mm左右，夜间为2.6km以上。
当照准距离为300mm时，精度可达1×10-5m。
激光原理知识点总结
激光原理知识点总结激光的产生原理激光是一种与常规光具有本质不同的光。
它是通过一种叫做“受激辐射”的过程产生的，这是量子力学的一种结果。
激光的产生原理主要涉及三个主要过程：光的激发、光的放大和光的辐射。
首先是光的激发。
激光的产生需要通过能量输入来激发原子或分子的能级。
当外界能量激发物质的能级时，原子或分子的电子会从低能级跃迁到高能级，形成“受激辐射”所需的激发态。
然后是光的放大。
在受激辐射的过程中，当一个光子与处于激发态的原子或分子碰撞时，它会与其相互作用，导致后者释放出另一个同频率、同相位和同偏振的光子，并回到低能级。
这个新的光子与已有的光子具有相同的频率、相位和偏振，因此它们会在相互作用的同时相互放大，形成一支激光光束。
最后是光的辐射。
当受激辐射的过程一直不断地发生时，光子会在光学共振腔中来回反射，产生一支具有高度相干性、高亮度和高直线度的激光光束。
这种光具有很强的聚焦能力和穿透能力，因此在很多领域有着广泛的应用价值。
激光的特点激光具有以下几个主要特点：1.高度相干性。
激光光束的波长一致、频率一致、相位一致，因此具有很高的相干性。
这使得激光在干涉、衍射和频谱分析等方面具有很大的优势。
2.高亮度。
激光的辐射强度非常集中，因此具有很高的亮度。
这使得激光可用于制备高清晰度的成像系统和高精度的测量装置。
3.高直线度。
激光的传播路径非常直线，几乎不具有散射，因此具有很高的直线度。
这使得激光在通信、激光雷达和光刻等领域有着广泛的应用。
激光器件的工作原理和应用激光器件是产生激光光束的重要设备，其工作原理一般基于受激辐射过程。
目前常用的激光器件主要包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器。
气体激光器是将气体放电或者由光泵浦的气体装置转变成激光的光源。
其中最著名的就是氦氖激光器。
使用稳态直流电源或者交变电源将氦气充入放电管，并保持一定的氦气气压。
然后用电子束或者泵浦光源来使得氦原子激发至高能级，然后在碰撞的作用下通过受激辐射作用形成激光光束。
激光准直仪原理
激光准直仪原理激光准直仪原理是指利用激光光束来检测测量物体的水平和垂直方向的相对位置，是一种常用于建筑、制造和测绘等领域的精确测量工具。
激光准直仪由于其高精度和高效率，已成为现代科技和工程实践的必备工具。
激光准直仪原理包括激光发射原理、激光束偏转原理和光电测量原理。
下面我们将详细介绍这三个方面的原理。
一、激光发射原理激光准直仪可以发射单色、高强度的激光束，其核心技术是激光的发射原理。
激光是由激光器中的激光介质（如He-Ne、Nd:YAG等）所产生的，并通过光机系统将激光束做成平行光线发射出去。
激光的发射具有相干性强、方向性好、空间相干长度长等特点，因此具有高亮度性质。
激光准直仪中常用的激光器有He-Ne激光、半导体激光和固体激光等。
He-Ne激光器是一种常见的气体激光器，具有单色性好、光束质量高等优点。
而半导体激光器体积小，效率高，但线宽大，不适用于精密测量。
固体激光器具有较大的输出功率和较高的光束质量，因此被广泛应用。
二、激光束偏转原理激光准直仪中的激光束偏转主要是通过光学元件来实现的，常见的光学元件有反射镜、透镜和棱镜等。
激光准直仪中常用的光学元件是反射镜。
激光准直仪中的反射镜一般分为二面反射镜和三面反射镜两种。
二面反射镜由两块平行的反射面构成，常用于对准垂直方向和水平方向；而三面反射镜则由三块相互垂直的反射面构成，可以同时对准垂直方向、水平方向和竖直方向。
当激光束通过反射镜时，会依照反射镜的角度发生偏转，从而实现对准垂直方向和水平方向，达到准确定位的目的。
三、光电测量原理激光准直仪还需要通过光电测量原理对测量值进行确定。
光电检测是通过光电二极管集成电路将光电转化为电信号，经放大、滤波、数字化等处理后，达到对物体位置的测量。
在激光准直仪中常用的光电检测元件有光电倍增管、光电二极管、CCD等。
在进行精密的测量时，通常采用CCD，以提高测量的精度和稳定性。
激光准直仪原理是利用激光的发射、光束偏转和光电测量原理，将物体的水平和垂直方向的相对位置进行测量。
【快速入门】激光的聚焦和准直
【快速入门】激光的聚焦和准直激光是单波长的光源，具有良好的相干性能，在科研和工业等领域有着广泛的运用。
激光光学泛指用于激光内外光路中的光学元件和器件，例如,激光聚焦镜、反射镜、扩束镜、激光切割头。
为了让小伙伴们能直观地理解激光的聚焦和准直的概念，小编通过应用案例的形式为大家进行讲解。
应用1：准直光束的聚焦作为第一个案例，我们来看一个非常普遍的应用，把激光光束聚焦到一个很小的焦点上，如图一所示。
我们有一束激光，光束半径为y1，发散角为θ1，它通过一个焦距为f的透镜聚焦。
如图所示，我们有θ2= y1/f。
光学不变量定律（y2θ2 = y1θ1）告诉我们，聚焦光斑的半径和发散角的乘积是个常量，因此可以得到y2= θ1f。
图一让我们看一个具体的例子，使用一个LBK-5.9-10.3-ET1.9型号的平凸透镜对二氧化碳激光器的出射光束进行聚焦。
假设二氧化碳激光器的光束直径为3 mm，全发散角为6 mrad。
上述公式中的参数采用光束半径和半发散角，因此有y1= 1.5 mm 和θ1 = 3 mrad。
LBK-5.9-10.3-ET1.9的焦距为10.3 mm。
因此，聚焦后焦点的半径为y2= θ1f =30.3 μm，也就是光斑直径为60.6μm。
我们假定使用了完美无相差的透镜。
如需进一步减小焦点，我们必须使用短焦距的透镜或者首先对激光进行扩束。
若这两种办法都受限于系统设计无法改变，那么60.6 μm就是我们可以实现的最小聚焦光斑。
另外，光的衍射效应可能使实际的光斑更大一些，但在目前的讨论中我们不考虑波动光学的影响，只在几何光学的范畴中讨论。
应用2：点光源出射光的准直另一个比较常见的应用是对从很小的一个光源发出的光进行准直，如图二所示。
通常称这种光源为点光源。
但是现实中没有绝对意义上的点光源，任何光源都有一定的尺寸，需要在计算中加以考虑。
图二中的点光源半径为y1，最大发射角度为θ1。
如果用一个焦距为f的透镜对出射光进行准直，那么得到的准直光束的半径为y2= θ1f，发散角为θ2 = y1/f。
激光经纬仪准直法工作原理、观测方法讲解
激光经纬仪准直法工作原理、观测方法激光是一种新型光源，它具有方向性强、单色性好、亮度高、相干性好的优点。
激光技术在大坝水平位移观测中的应用，大大提高了观测效率和精度，为变形观测的自动化开辟了新途径。
目前在大坝水平位移观测中采用较多的是激光经纬仪准直法。
激光经纬仪
是在普通经纬仪上安装一个激光管，如在JZ型经纬仪望远镜上安装一个氦（He）氖（Ne）激光管便成为J Z—J D激光经纬仪型激光经纬仪。
观测水平位移时由激光经纬仪发射一条可见的红色激光束照准目标，其原理与活动觇标视准线法完全相同。
激光照准的有效射程白天为500mm左右，夜间为2.6km以上。
当照准距离为300mm时，精度可达1×10-5m。
激光准直原理
激光准直原理激光准直是激光技术中非常重要的一部分，它是指将激光束从发射源出来后，通过一系列的光学器件，使其直线传播并保持其直径不断减小的过程。
激光准直的原理是基于光学器件对激光束进行调整和控制，使其在传播过程中保持一定的直径和方向。
激光准直的原理主要包括以下几个方面：1. 激光发射源。
激光发射源是激光准直的起始点，它可以是激光二极管、固体激光器、气体激光器等。
这些激光发射源会产生一束高度聚焦的激光束，但由于光学器件的限制，激光束往往会存在一定的散射角度和直径。
2. 准直镜。
准直镜是激光准直中最常用的光学器件之一，它可以将激光束进行调整，使其直线传播并减小其直径。
准直镜通常由透镜或反射镜组成，通过镜面的曲率和表面处理，可以有效地调整激光束的方向和直径。
3. 调焦镜。
调焦镜是用来调整激光束的焦距和聚焦效果的光学器件，它可以使激光束在传播过程中保持一定的直径和焦点位置。
通过调焦镜的调整，可以使激光束在远距离传播时保持一定的聚焦效果，从而实现远距离准直。
4. 光学系统。
除了准直镜和调焦镜外，激光准直还需要配合其他光学器件，如棱镜、光栅、偏振片等，来实现对激光束的精确控制和调整。
光学系统的设计和优化对于激光准直的效果至关重要，它可以有效地改善激光束的质量和传播特性。
5. 控制系统。
激光准直还需要配合一套完善的控制系统，通过对光学器件的精确控制和调整，来实现对激光束的准直和调焦。
控制系统可以采用手动控制或自动控制，通过精密的控制算法和反馈机制，可以实现对激光束的高度精准的调整和控制。
总结起来，激光准直的原理是基于光学器件对激光束进行调整和控制，使其在传播过程中保持一定的直径和方向。
通过准直镜、调焦镜、光学系统和控制系统的配合，可以实现对激光束的精确控制和调整，从而实现远距离传播和高质量准直的效果。
激光准直在激光通信、激光雷达、激光加工等领域有着广泛的应用，它对于提高激光系统的性能和稳定性具有重要意义。
精简版---激光原理知识点+复习90题
T
A C
1 2L
B D
2 R1
R2
2 R2
1
2L R1
2 L1
L R2
2L R1
1
2L R1
1
2L R2
把条件 R1 R2 R L 带入到转换矩阵 T，得到：
T
A C
B D
1 0
0 1
共轴球面腔的稳定判别式子 1 1 A D 1
2
如果 1 A D 1 或者 1 A D 1 ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，
(1)判断腔的稳定性; (2)求输出端光斑大小； (3)若输出端刚好位于焦距 f=0.1m 的薄透镜焦平面上，求经透镜聚焦后的光腰大小和位置。
解: (1)如图所示，等效腔长
L
'
a
b
0.44
m
0.1 m 1.7
0.5m
由等效腔长可得
：
g1 g 2
1
L' R1
1
L' R2
1
0.5 1
1
0.5
2
1
1.52 1
1.52
要达到稳定腔的条件，必须是 1 1 A D 1，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
2
1.17 L1 2.17 ，单位是米。（作图）
11
4.4（夏珉习题 2.19 数据有改变）如图 2.8 所示，波长 1.06m的钕玻璃激光器,全反射镜的曲率半径
R=1m，距离全反射镜 0.44m 处放置长为 b=0.1m 的钕玻璃棒，其折射率为 n=1.7。棒的右端直接 镀上半反射膜作为腔的输出端。
第三章
光学谐振腔
激光基本原理
激光基本原理
激光（Laser）是一种通过激光器产生的具有单色、聚束和高
亮度的电磁波。
激光的基本原理是通过受激辐射来放大并聚束光束。
激光的产生取决于三个基本过程：激活（excitation）、拉伐斯托夫过程（lasing process）和受激辐射（stimulated emission）。
在激活过程中，能源（如电流、光或化学反应）被输入激光介质中，使其获得能量。
这些能量激发了介质中的原子、分子或离子，使它们处于激发态。
此时，激光介质中存在着大量的能级过渡。
在拉伐斯托夫过程中，激发态的粒子通过自发辐射或碰撞的方式回到较低能级。
这些过程产生了光子，并将激活能量转化为辐射能量。
在受激辐射过程中，一个光子与一个处于激发态的粒子相互作用。
这个激发态的粒子会通过吸收这个光子的能量而跃迁到一个更低的能级，并释放出两个与吸收的光子相等的光子。
这种过程是放大光子数量的关键，并形成了激光特性的基础。
激光器的结构一般包括激光介质、能量泵浦源、光学反射镜和光学输出口。
激光介质是产生激光的核心部分，其中包含了活跃离子、晶体或气体等。
能量泵浦源通过输入能量激活介质。
光学反射镜通过反射和聚焦光束，增强光的强度。
光学输出口是激光从激光器中发出的位置。
通过控制激光器中的激励来源和光学元件的位置，可以调整激光的功率、波长和聚焦性质。
激光因其具有高度单色性、聚焦性和亮度，广泛应用于科学研究、通信、材料加工、医学和军事等领域。
激光准直技术
激光准直技术在工业生产生活中的应用摘要：激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。
因此，对激光准直技术的研究具有重要意义与广泛的前景。
这里就激光准直技术的工作原理及其在基本建设工程施工测量中的应用做简单介绍。
关键词：激光、准直仪、准直基线1、引言随着世界工业技术的迅猛发展,对各项几何参数的测量精度要求越来越高。
直线度测量是集合计量领域里最基本的计量项目之一，直接影响仪器精度、性能、质量，也是机械加工中常见又重要的测量项目。
在精密仪器制造与检测、大尺寸测量、大型仪器安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛应用。
2、原理激光准直的原理如图1所示，由激光器L发出一束单横模的激光（一般为可见光，通常采用氦氖激光器的0.633µm波长的光），利用倒置的望远镜系统S，将光束形成直径很细的（约为几毫米）的平行光束，或者将光束在不同距离上聚焦成圆形小光斑。
此平行光束中心的轨迹为一条直线，即可作为准直和测量的基准线。
在需要准直的位置处用光电探测器接受准直光束。
该光电探测器为四象限光电探测器D（即由4块光电池组成），激光束照射到光电探测器上时，每块光电池会产生电压V1，V2，V3，V4。
当激光束中心照射在光电探测器中心处，由于4块光电池收到相同的光能量，产生的电压值相等；而当激光束中心偏离光电探测器中心时，将有偏差电压信号Vx和Vy；Vx= V1 -V3，Vy= V2 - V4由此偏差电压即可知道接收点位置的偏移大小和方向。
图1 激光准直仪结构图按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型：（一）振幅(光强)测量型由于激光漂移、光线弯曲、大气扰动以及光束横截面内光强分布的不对称性的影响，直接利用激光本身作准直基线，稳定性最好也只能达到10−5量级。
为提高准直精度，必须有效地克服上述影响，于是出现了多种设计方案。
1、菲涅尔波带片法激光束通过Fresnel波带片形成十字形的能量分布。
激光原理第二章2.1-2.5
§ .
(2) 临界腔 平行平面腔，对应图中的A点。只有与腔轴平行的光线才能在腔内往返。 共心腔， 满足条件R2＋R2＝L，对应图中第一象限的g1g2＝1的双曲线。 半共焦腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中C点和D点。 (3) 非稳腔 对应图中阴影部分的光学谐振腔都是非稳腔。
谐 振 腔 结 构 与 稳 定 性
§ .
图(2-3) 稳定图的应用
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一、速率方程组
n1 B12 f ( )
n2 B21f ( )
E2
n2 A20 E1 E0
第 1. 图（2.4.1）为简化的四能级图，n0、n1、 二 n2分别为基态、上能级、下能级的粒子数密 R2 n2 A21 章 度；n为单位体积内增益介质的总粒子数， 激 R1、R2分别是激励能源将基态E0上的粒子抽 光 n1 A10 R1 运到E1、E2能级上的速率；则E2能级在单位 器 的 2 时间内增加的粒子数密度为： 图（2.4.1）简化的四能级图 dn2 工 R n A ( n B n B ) f ( ) 2 2 2 2 21 1 12 作 1 dt 原 光 理 学 同理，单位时间内E1能级上增加的粒子数密度为 ： dn1 谐 R1 n2 A21 (n2 B21 n1B12 ) f ( ) n1 A1 振 dt 腔 n0 n1 n2 n
谐 振 腔 结 构 与 稳 定 性
§ .
双凹腔：
双凸腔：
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五、稳定图的使用说明
第 二 章 激 光 器 的 2 工 作 1 原 光 理 学
谐 振 腔 结 构 与 稳 定 性
1. 例一：一个腔长为L的对称稳定腔，其反射镜曲率半径如何确定？ 2. 例二：稳定腔的一块反射镜已有如R1=2L，另一块反射镜的曲率半径的取值 范围如何确定？ 3. 例三：如果两块反射镜的曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔 长的取值范围如何确定？
八年级物理 第二章《光现象》复习知识点
八年级物理第二章《光现象》复习知识点一、光的直线传播1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。
分类：自然光源，如太阳、萤火虫；人造光源，如篝火、蜡烛、油灯、电灯。
月亮本身不会发光，它不是光源。
2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。
3、光线——表示光的传播方向和路径的带箭头的直线。
是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方法之一。
4、应用及现象：①激光准直——利用光的直线传播。
②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。
③日食月食的形成。
④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。
5、光速：光在真空中速度C=3×108m/s=3×105km/s；光在空气中速度约为3×108m/s。
光在水中速度为真空中光速的3/4，在玻璃中速度为真空中速度的2/3 。
二、光的反射1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。
2、反射定律：三线共面,法线居中,两角相等.——即:反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居于法线的两侧，反射角等于入射角。
光的反射过程中光路是可逆的。
3、分类：⑴镜面反射：定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行条件：反射面是光滑平面。
应用：只能在某个方向上看到反射光线。
如迎着太阳看平静的水面，特别亮。
黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵漫反射：定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线同样遵守光的反射定律。
条件：反射面凹凸不平。
应用：能从各个方向看到本身不发光的物体，是由于光射到物体上发生漫反射的缘故。
4、面镜：⑴平面镜：成像特点：①像、物大小相等②像、物到镜面的距离相等。
③像、物的连线与镜面垂直④物体在平面镜里所成的像是虚像。
成像原理：光的反射原理作用：成像、改变光的传播方向实像和虚像：实像：实际光线会聚所成的像虚像：反射光线反向延长线的会聚点所成的像⑵球面镜：定义：用球面的内表面作反射面。
激光基础学习知识原理考试基本概念
第一章1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。
2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。
3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。
光波是一种电磁波，是一种横波。
4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。
5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν<<v 时，这种波叫作准单色波。
6、原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。
7、两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。
8、同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。
9、辐射跃迁选择定则（本质：状态一定要改变），原子辐射或吸收光子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必须满足下述选择定则：a、跃迁必须改变奇偶态；b、ΔJ=0，±1（J=0→J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满足下列选择定则：c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）；d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。
10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。
11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。
12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。
13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。
14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。
15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。
自发辐射的光是非相干光。
16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。
17、受激辐射的特点是：a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。
b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。
激光准直技术
图8-9
（二）轴锥镜（axicon）： 图8-10
如图8-10，平行激光束通过轴锥镜，当θ<<lrad时，其截面 可看成光楔：
则其偏向角近似为：n1
则其最大焦深为：Zma xRn R 1
lrad
其中R为轴锥镜半径，n——轴锥镜的折射率
对用奇积数 分的电波路带消减：除空小气扰误动的差高频的效应方。 法：由大气扰动引起的光束抖动，一般无法
消除，只能尽可能减小：
（1）选择空气抖动最小的时间，（日出前）。 （2）将光束用套管屏蔽，或将管内抽成真空，其真空度为 10-2托以上。 （3）沿激光前进方向喷气流。 （4）用时间常数较小的低通滤波器，消除输出信号的交流成 分；用积分电路消除空气扰动的高频效应。 （5）采用双色光激光准直系统，如用6328nm和422nm两种激 光光轴，两色光的分离量来修正。 （6）自适应原则在准直仪中应用。
L
C
sin 4sin
2
2
4N
sin
C
2
(其中N为电子细分数)
§8-4 激光光电准直仪（或自准直仪）
一、光学准直仪和自准直仪（图8-13）
图8-13
二、激光准直仪和自准直仪（图8-14） 1、原理：
图说明：
图8-14
PSD（POSITION SENSITIVE DETECTOR）为位置灵敏度探 测器。可以是光电二极管阵列，也可是四象限硅光电池。
2、四象限PSD工作原理（平恒电桥法） 如图8-15所示，
图8-15 1、当四象限硅光电池中心和准直线同轴时，四块硅光电池 输出电压相同，电桥平衡。 2、若输出不平衡，测准直中心变化，根据其变化规律，可 判断其方向。
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第二章 激光准直原理第一节 光的衍射现象一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。
例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。
波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射 日常生活中的光的衍射现象不明显的原因？？？310a衍射现象不明显 1-2-1010a衍射现象显著 110a1-逐渐过渡为散射首先我们来做一个实验，让一单色强光源(激光)发出的光波，通过半径为ρ且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当ρ足够大时，在原屏上看到的是一个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。
这与光的直线传播想一致。
如图：随着ρ的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑将逐渐扩展，弥漫。
光强出现分布不均匀，呈现出明暗相间的同心圆环，且圆环中心出现时亮时暗的变化。
光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了原来的直线传播，绕过障碍物，这种现象称为光的衍射。
再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。
逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。
同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。
一、光的衍射定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象二、产生条件：障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候三、衍射规律：1.光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。
当遇到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。
2.光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。
光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。
第二节惠更斯——菲涅耳原理一、惠更斯原理1．波面：等相位面2. 任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波，在该时刻的新波面——“次波”假设。
能解释：直线传播、反射、折射、晶体的双折射等；不能解释：波的干涉和衍射现象（未涉及波长等）；而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而实际上倒退波是不存在的。
二、菲涅耳对惠更斯原理的改进 1. 改进：根据“次波”假设，补充了振幅相位的定量表示式，增加了“次波相干叠加”。
2. 惠更斯—菲涅耳原理波面S 上的每个面积元dS 都可以看成新的波源，它们均发出次波。
波面前方空间某一点P 的振动可以由S 上所有面积元所发出的次波在该叠加后的合振幅来表示。
3. 四个假设① 所有次波都有相同的出相位（令 ） ② 次波是球面波 1cos()dE kr t r③ P dsdE④ 2,(nr相位差，光程差）4. 求P 点光振动E 的数学表达式： ()cos()dsK dE kr t r()()cos kr-)rK dE p C t ds （ ()K 有性质：倾斜因子 ();()K K对于球面波或平面波，出相位可取为零，且倾斜因子：1cos ()2K它可以解释子波为什么不会向后退 波面上有一定振幅分别，分别函数为A （Q ）所以：()1()()cos(kr-t ()()=C i kr t dE CA Q K rA Q K edsr）ds 或dE(p) 菲涅耳衍射积分公式：s()()(p)=()()()E =C ri t ikrssikrA Q K E dE p Ce e ds rA Q K e ds::或：一般积分交困难，古分成两类。
三、菲涅耳半波带 3.1 菲涅半波带这里以点光源为例来说明菲涅耳-惠更斯原理的应用，在图1-1中，O 为点光源，S 为任一瞬时的波面（球面），R 为其半径，为了确定光波到达对称轴上任一P 点时波面S 所起的作用，以直线连接OP 与球面相交于B1点，B1称为P 点对于波面的极点，令PB1的距离为r,设想将波面分为许多环形带，使由每两个相邻带的边缘到P 点的距离相差为伴波长，即10B P B P =21B P B P =32......B P B P =1A A B P B P =2r在这种情况下，由任何相邻两带的对应部分所分的次波到达P 点时的光程差为2。
亦即它们以相反的相位同时到达P 点，这样分成的环形带叫菲涅耳伴带波。
3.2 合振幅的计算⑴一个半波带的贡献和第N 个半波带对P 点的振幅贡献是：● K'是一个复常数● qN 是倾斜(方向)因子，随着N 从零增大到无穷，qN 自1下降至零。
● SN 是第N 半波带的面积；rN 是P 至第N 半波带外缘的距离，这里用来代替平均距离。
球冠S 的面积为：2(1cos )S R R根据图示的几何关系有 ： 122202sin cos (1)N N R R r R r r 22001cos 2()r r R R r2200()R r r S R r2dS Rdrr R r |||'|NN N NS E K q r 0|'|N R K q R r2NN Rdr dS r R r0N N S R r R r （与N 无关，可见，每个半波带对P 点的贡献仅与倾斜因子N q 有关）。
0|||'|N N R E K q R r|||'|R r N N E K q||exp()N N N E E i根据制作半波带的程序可知，相邻半波带，位相差为 。
不妨规定第一个半波带位相差为0，则凡是奇（偶）数半波带的相差 2 ，相邻的奇偶(偶奇)半波带相差为 。
(1)N N1(1)'N N N E K q⑵ 前M 个半波带的贡献现在假定衍射光栏Σ是带有圆形开口的不透光屏，对某一观察点P而言，开口恰恰相反，好包含了前M 个半波带。
这时P 点的复振幅为：12341()MNN E P EE E E EL11111()[(1)]()22M M M M E P E E E E M＋：奇数－：偶数 利用上面最后一个式子求P 点复振幅和辐照度是十分方便的，但是P 点必须位于通过圆孔中心的“轴线”上，所以该式的适用范围很窄。
当P 点偏离轴线时，或者当开口不是圆形时，半波带法不能给出定量结果，只能辅助进行半定量分析。
⑶、半波带法的相幅矢量图N E 的相幅矢量及其叠加 ：111122MN M N E E E11223111111()()()()22222M M ME P E E E E E E E E L⑷ 半波带法的相幅矢量图一个半波带的相幅矢量构成小相幅矢量ΔE 是由光栏开口中心点B 0贡献的基线半波带的相幅矢量和它们的合成M 1 M 2E 1OE 2E细分半波带后的相幅矢量按惠更斯-菲涅耳原理，ΔE 的表达式为：00exp()KE jkr r（小圆环面积在B 0处圆环退化为圆)。
因而半圆弧OM 1的弧长为：10000||||||||K K K S r K r r r 由此导出E 1的长度为：12||||2||E K K00exp()KE jkr r在位相上，由图可见，E 1比ΔE 多 1002exp()exp()2exp()2E K jkr jjK jkr1(1)'N N N E K q3.3 M 与孔径半径ε间的关系图示O 为点光源，DD '1111(1)'E K q0022'[exp()]exp()jK jkr K jkr为光阑，其上有一半径为ε的圆孔，S 为通过圆孔的波面——球冠(其高为h )，P 为圆孔对称由上任意一点。
首先考虑通过圆孔M 个完整菲涅耳半波带。
图中 02M r r M由几何知识可得2222200022200()()()22()M r h r r M r h Mr r h h M 略去二阶小量、2002Mr r h又 2222()2R R h h R由以上两式可得2011()M r R讨论：▲ 对P 点，若S 恰好分成M 个半波带时：▲ 对P 点，若S 中还含有不完整的半波带时：1111()()22M P M E E E E E （光强介于最大和最小之间） ▲ 波面不受限制时，对P 点，则S 无限大，可分成无限多个半波带，由于倾斜因子qN 随M趋于无限大而趋于零，EM 也趋于零。
于是有：11()2E P E（假定“光阑” DD '处入射平面波的复振幅为1，则在没有衍射的情形下，P 点的复振幅应当是）0()exp()E P jkr 102exp()E jK jkr 0()exp()E P jK jkr所以： 1K j四、菲涅耳圆孔和园屏衍射2.4.1菲涅耳圆孔衍射将一束激光投射在一个小圆孔上（圆孔可用照相机镜头中的光阑）并在距孔1-2m 处放置一块毛玻璃屏，可观察到小圆孔的衍射花样。
先用上节所得的结论，研究从点光源所发出的光通过圆孔时的衍射现象，O 为光源，光通过光阑上的圆孔， 为圆孔的半径，S 为光通过圆孔时的波面。
现在先计算到达垂直于圆孔面的对称轴上一点P 时的振幅。
P 点与波面上极点1B 之间的距离为m 。
由于合成振幅和k 有关，故首先考虑通过圆孔部分波面的面积所含有的完整菲涅带的数目，这个整数k 与圆孔的半径（ =k ）、光的波长 以及圆孔的位置（即R 和0r ）有关，这个关系计算如下：222222()()2k k o k o o r r h r r r h h22()2k o o r r r h (4-6)如h 比o r 小得多，则上式中2h 一项可略去。
以o r +*2k，替代k r ，略去224k，得：22222k o o o r r r k ro k r 又由222k R R h22k o r r h (4-7)简化得：22o 2R+r h k o r r即22k r h=2o r R r将22k r o o r k r 和h 的表达式代人公式（4-6），得22o k or RkR r 或 2211o o o R r k r R R如果用平行线光照射圆孔，则R →∞K (1)、o r 对衍射现象的影响◆ ① 当波长 、圆孔位置R 、大小p 给定后，有：2011()K r R◆ ② P 点的振幅与P 点的位置r0有关，即移动观察屏，P 点出现明暗交替变化；◆ ③ 随r 0增大，K 减小，菲涅耳衍射效应显著；◆ ④ 当r 0大到一定程度时，r 0→∞，露出的波带数K 不变化。
◆ 为：2maxK K R（称为菲涅耳数，它是一个描述圆孔衍射效应的很重要的参量。
）◆ 此后，随着r 0的增大，P 点光强不再出现明暗交替的变化，逐渐进入夫朗和费衍射区。