激光原理第一讲共44页文档

激光原理讲义

第一章光学谐振腔理论光学谐振腔是激光器不可缺少的组成部分。

它的作用是提供激光振荡所必需的负反馈，选择振荡模式，并且为激光输出腔外提供一定的耦合。

本章主要研究开放式光腔。

这类光学谐振腔通常由线度有限的两面光学反射镜相距一段距离共轴放置而形成。

与微波波段的封闭式谐振腔相比较，光学开腔敞开了侧面边界，以降低振荡的本征模式数目。

两面反射镜之间的轴向距离，称为腔长。

腔长远大于波长，也远大于反射镜的线度，一般为厘米或米的量级。

一面反射镜的反射率尽量接近１，以减小能量的损失，另一方面反射镜具有适当的透过率，以便能够输出一定的能量。

对于开腔式光腔的处理方法主要有两种，一种是建立在衍射理论基础上的，另一种是建立在几何理论基础上的。

为了对谐振腔理论有个较全面的理解，本章对那些不能用几何光学理论研究的谐振腔，则以方形对称共焦腔为例，采用衍射理论进行研究讨论，对于两面球面腔等，采用几何光学理论的处理方法，其中包括一些等效方法。

第一节光学谐振腔概论如图1－1所示，考虑一个长、宽、高分别为l b a ,,矩形谐振腔中的本征模式，麦克斯韦方程的本征解的电场分量为：t i z t i y t i x p n m p n m p n m e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E e z lp y b n x a m E t z y x E ,,,,,,sin cos sin ),,,(sin sin cos ),,,(cos sin sin ),,,(000ωωωπππππππππ---⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛= （1.1－1）其中波矢z z y y x x e k e k e k k ++=，lp k b n k a m k z y x /,/,/πππ===（ ,3,2,1,0,,=p n m ），谐振角频率： ()()()222,,////l p b n a m ck c p n m πππω++== （1.1－2）（1．1．1）式表明在x ，y ，z 三个方向上，每一个本征模式的空间分布都是稳定的驻波分布，任意（m ，n ，p ）表征一种空间驻波分布。

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球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cost
cr
➢球面波的复数表示法：
U U0 eitkr r
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光子
➢ 在真空中一个光子的能量 h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
➢
光子具有的运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 p h P m c n 0cn 0 ln 02 pln 02 pk
Schawlow
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16
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。
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Maiman
发射 hE2E1
吸收 hE1E2
E2: 高能， E1级 : 低能级
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42
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33
原子的能级
物质是由原子、分子或离子组成，而原子由带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。
-e
+e 原子核
-e 电子角动量L=r×p
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原子的能级
原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
➢主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;

激光原理与技术PPT精品文档

ONE KEEP VIEW 激光原理与技术PPT精品文档目录CATALOGUE•激光基本原理•激光器类型及工作原理•激光技术应用领域•激光技术发展趋势与挑战•激光安全与防护知识普及•总结与展望PART01激光基本原理激光产生条件粒子数反转高能级粒子数大于低能级粒子数，是产生激光的必要条件。

增益大于损耗增益介质中的受激辐射放大作用要大于各种损耗，才能实现光放大。

光学谐振腔提供正反馈，使受激辐射光在腔内多次反射、放大，形成稳定振荡。

激光发射过程泵浦过程通过外部能量输入（如光、电、化学等），使增益介质中的粒子从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转。

受激辐射过程处于高能级的粒子在外部光子的作用下，跃迁到低能级并发出与入射光子完全相同的光子，实现光放大。

光学谐振腔内的振荡过程受激辐射产生的光子在腔内多次反射、放大，形成稳定的光场分布和振荡模式。

功率激光的功率决定了其能量大小和输出能力，高功率激光具有更强的穿透力和加工能力。

稳定性激光的稳定性决定了其长期运行的可靠性和稳定性，对于高精度、高稳定性的应用尤为重要。

光束质量激光的光束质量决定了其聚焦能力和传输效率，优质的光束质量可以提高激光加工的精度和效率。

波长激光的波长决定了其颜色和应用领域，不同波长的激光具有不同的特性和用途。

激光特性参数PART02激光器类型及工作原理工作原理通过激励源（泵浦源）将能量传递给工作物质，使其产生粒子数反转分布，然后在谐振腔内通过受激辐射产生激光。

特点具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于科研、工业、医疗等领域。

构成由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。

构成主要由放电管、反射镜和电源三部分组成。

工作原理在放电管中充入一定种类和压强的气体，通过高压放电激励气体分子或原子，使其产生受激辐射并放大，形成激光输出。

特点具有光束质量好、输出功率大、效率高、结构简单等优点，常用于高精度测量、光谱分析等领域。

构成主要由染料溶液、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。

激光讲义激光原理与激光器完美版文档

2）选纵模——为了提高激光束的时间相干性（单色性）；在腔内插入一定的选择性损耗，增大各纵模间的增益差别，实现单纵模输出。
短腔法——缩短腔长L，可增大纵模间隔，实现单纵模振荡输出。因为 Dn=nm-nm-1=c/ 2nL 纵模间隔与谐振腔长成反比
F-P标准具法——基于多光束干涉原理，满足标准具透过率极大值的纵模只有一个。选择标准具的厚度和反射率（一般角度很小），可实现单一纵模输出。
a. 小孔光阑选模——孔径大小恰好通过基模而阻止高阶模(大小与位置）；但小孔也限制了基模体积，功率受限。
b. 聚焦光阑选模——腔内聚焦的焦点处设置小孔光阑，加大了模体积；但腔内有聚焦不适合大功率大能量激光。
c. 非稳腔选模——模体积大，有利于大功率大能量输出；对横模选择本领高；腔内光束均匀；输出易于调整。有双凸腔；平凸腔；虚共焦凸凹腔等
玻尔兹曼分布律——在热平衡状态下，低能级上的粒子数N1总是高于高能级上的粒子数N2
1.1.1.2 受激辐射和自发辐射
1）正常情况下，大多数粒子处于低能级（基态），通过注入外能（光照.电子碰撞.化学能.热能等）可使基态的粒子激发(泵浦.抽运）到高能级上去（激发态）
2）处于激发态E2的粒子会自发地向低能级基态E1跃迁放出光子（自发辐射）hn=E2-E1；也可受光子hn的激发而发射相同的光子hn（受激辐射）它的频率.相位.传播方向和偏振态完全相同。
4) 激光的产生
13）三激高个光强器度要的—输—素出激特光：性束及发具其散对角有激很光小亚加，工光稳的强影度态响很高能级结构的激活介质——激光工作物质；
7）对比声光调Q与电光调Q的基本特点
材多料棒表串面联对等激光的外吸收界率.泵2）浦可用源谱线—多，—可提经倍供频获能得短量波激以光；实现粒子数反转；

第八篇第一讲激光原理

二、激光的形成
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布
Nn e
N2 e N1 E2 E1 kT

En kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
1
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K；
E2 E1 kT 1 0.086
E 2-E 1～1eV;
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
2、激光的应用
激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科，主要分为以下几类：激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有 YAG (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
三、激光的特性及其应用 1、激光的特性
方向性好激光能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面度。亮度高光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。单色性好如He－Ne激光器发射的632.8nm的谱线宽度仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。相干性好普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。

激光原理全套课件

1.1 激光简史
– 1963年，Herbert Kroemer和 Rudolf Kazarinov、Zhores Alferov的团队独立的提出了利用异质结构造半导体激光器的思路，这一工作使得他们获得了2000年的诺贝尔物理学奖。
– 1964年，C. K. N. (Kumar) Patel研制了第一台CO2激光器；
1.1 激光简史
– 1965年，Anthony J.DeMaria, D. A. Stetser和H. A. Heynau报道了第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸收器产生皮秒级脉冲的激光器。
– 1965年，George C. Pimentel和 Jerome V. V. Kasper 研制了第一台化学激光器；
1.1 激光简史
– 1959年，Gordon Gould 发表论文“The LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，这是 LASER这一术语第一次被提出。
– 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb 共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。
激光原理与技术·原理部分
第一讲激光简史、发展与应用
课程简介
– 先修科目
• 几何光学 • 物理光学 • 量子力学 • 数学物理方法
– 参考书目
• 激光原理国防工业出版社 2000年版周炳琨等编 • 量子电子学科学技术出版社 1983年版 Amnon Yariv，刘
颂豪等翻译 • Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing
1.1 激光简史

激光原理

激光” 四、 Laser －“激光” Laser
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大” 通过受激辐射实现光放大” 通过受激辐射实现光放大
激光原理 . 绪论
五、激光器种类根据工作物质根据工作物质
红宝石，Nd:YAG，固体激光器：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃气体激光器：He Ne，CO2，离子激光器 He—Ne Ne，
E2
hν
发光前发光后
E1
hν = E 2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。振动方向、相位不一定相同为非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：
π m kx = x π n ky = y π kz = q z
相邻模间隔：相邻模间隔：kx =
π
x
, ky =
π
y
, kz =
π
z
激光原理 . 第一章
kz
波矢空间中每个光波模式所占体积：波矢空间中每个光波模式所占体积：
k x k y k z =
π3
x y z
=
π3
V
r k
液体激光器：染料激光器半导体激光器
激光原理 . 第一章
第一章
激光的基本原理
§1.1 相干性的光子描述光波模式、光子状态、相格、光波模式、光子状态、相格、相干体积一、光波模式与光子态

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3 纯化学型这种运转方式要比上述的原子态激励型更为先进
和实用。其特点是不需要外界各种能源，完全靠体系本身的化学反应自由能来得到所需要的自由原子。例如用NO＋F2燃烧解离来得到氟原子。然后,氟原子与氢分子反应,获得激发态的粒子数反转而产生激光。
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其泵浦源为化学反应所释放的能量。这类激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有氟化氢和氟化氘两种装置。前者可以在2.6～ 3.3微米之间输出15条以上的谱线；后者则约有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。这两种器件目前均可实现数兆瓦的输出。
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3 电子跃迁化学激光器
利用化学反应释放的能量将激射介质泵到电子激发态，并达到粒子数反转，然后受激发射产生激光。电子激发态能量受到化学键能的限制，只有3～4电子伏。如果电子激发态能量超过4电子伏，就必须借助于低能阶电子激发态粒子与其他激发态粒子间的多次碰撞传能才可能达到高能阶电子激发态,电子跃迁化学激光器的典型例子是氧- 碘传能激光器。
化学激光器
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1 原理
目录
2 工作方式
3 运转类型
4 器件分类
5 应用
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1 原理
化学激光器是另一类特殊的气体激光器，即是一类利用化学反应释放的能量来实现工作粒子数布居反转（简称粒子数反转）的激光器。化学反应产生的原子或分子往往处于激发态，在特殊情况下，可能会有足够数量的原子或分子被激发到某个特定的能级，形成粒子数反转，以致出现受激发射而引起光放大作用。。