关于激光的原理及技术基础课件

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。
➢
光子的具有运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 h l l P m c n 0cn 0n 0 2 n 0 2k
➢光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分 子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。
单色性程度： l/l106
进行精密干涉测量时，最大量程不超过1m，测量误差为1微米。
l 激光光源： 单模稳频He-Ne激光，中心波长： 632.8nm
谱线宽度： l1012m
ll 单色性程度 ： / 1 0 1 0~ 1 0 1 3
进行精密干涉测量时，最大量程扩展到1000km，测量误差小
于 102 ~101m。
§1.1 激光的特点
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，通过 受激发射的放大光。Laser翻译成激光由1964年钱学森指定。
高方向性（高定向性）、高单色性、高亮度性 辐射度——高亮度； 统计物理——高光子简并度； 电磁波谱——极强的紫外、可见光或红外相干辐射，具有波长可调谐。 定向聚光反射镜的探照灯： 发射孔径1m，平面发散角10rad，传输至
光波是电磁波 ➢ 振动的电场； ➢ 振动的磁场
l
光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称 作光矢量
光的波粒二象性
光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振方向有 时随时间变化
y
Ey
E
(1)线偏振光
x Ex
(2)自然光
传播方向 z
光速、频率和波长三者的关系
(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。
L2
R
S
光源
f
障碍物
E
接收屏
空间相干性（不同空间位置的光源之间的相干状态） 空间相干性指同一时刻空间两点光波场的相干性。由杨氏双缝 干涉实验来定性解释。
空间相干性又称横向相干性，由横向相干长度D相干来表征：
D相干＝
l
其中，λ为光波长，θ为平面发散角
D相干的物理含义为激光束平面上距离为范围内的各个点之间是相干
激光光束三大特点的物理基础
三. 高亮度和光子简并度
单色亮度值B
B定义：单位截面、单位频带、单位立体角内的辐射光功率，
单位:瓦/平方厘米·球面度· 赫兹。
B
P
S
太阳辐射： B 2 .6 1 0 12 W / ( c m 2 s r H z ) 气体激光器： B 1 0 2 ~ 1 0 2 W / ( c m 2 s r H z ) 固体激光器： B 1 0 ~ 1 0 3 W / ( c m 2 s r H z ) 大功率激光器： B 1 0 4 ~ 1 0 7 W / ( c m 2 s r H z )
最大直径d。
P P max
e -2P m ax
x d
束散角θ (弧度rad) ：
令出口附近的束径为d1，传 输一段距离后的束径为d2时，
定义束散角为：
d1 d2
L
近似情况下，激光器输出的平
d1
d2
Laser
L
面发散角θ等于光束的衍射角
θ衍
衍
1.22
l
D
光束的立体发散角：
衍
(
l )2
D
衍射极限：衍射极限是指一个理想点物经光学
简并度：
在物理学中，简并是指被当作同一较粗糙物理状态的两个或多个不同 的较精细物理状态。例如在量子力学中，原子中的电子，由其能量确定的 同一能级状态，可以有两种不同自旋量子数的状态，该能级状态是两种不 同的自旋状态的简并态。
具有相同能量的粒子可以处在不同的量子态（即不同的波函数），即 每一个能级上可能有若干个不同的量子状态存在，反映在光谱上就是代表 某一能级的谱线常常由好几条非常接近的精细谱线所组成。
1km外，光斑直径扩至10m； 单模激光器： 经发射望远镜的光束孔径为1m，平面发散角10-6rad,传
输至1000km，光斑直径扩至几米。
§1.1 激光的特点
一． 高方向性和空间相干性
方向性：束径和束散角的概念
单模束径指最大能量密度Pmax的 1/e2输出点的光束直径d 。
多模束径指最大能量密度1/2处
关于激光的原理及技术基础
第一章 激光原理及技术基础
§1.1 激光的特点 §1.2 激光的产生 §1.3 激光器的基本组成 §1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件 §1.5 激光振荡模式 §1.6 光腔的损耗和激光振荡的阈值条件
光的波粒二象性
波动性：传播过程 ➢ 具有频率、波长、偏振
粒子性：光与物质相互作用 ➢ 具有能量、动量、运动质量
三． 通常以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光相干时间，单色
性量度用 或 l 表征。
l
激光相干时间τ相干和谱线宽度关系：
相
干＝
1
纵向相干长度L相干：
L相干 c相干 ＝c
物理意义：在小于和等于此值的空间延时范围内，被延时的光波和后
续光波应当是完全相干的。
普通光源：氪同位素86（Kr86）灯，中心波长为 l60.75nm； 谱线宽度： l0.47106m
(2)光速 c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数 1
T
(4)三者的关系
在真空中
c l0
各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同
υcυl(ll0)
折射率始终大于1？
自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率近似 等于1； 负折射率材料：当介电常数<0，磁导率<0时，折射率n=()1/2，小于零（人造材料，2000年后）
的，即满足相干系的光波场振动是相干的。
相干截面S相干的定义
S相干 D相干2＝l2
其物理含义：在整个光束截面内的任意两点间具有完全确定相位关 系的光场振动完全相干。
发散角的测量： ①打靶法②套孔法③圆环法 等等
L
/2
D
f
D
激光器 /2
f
图1.1 打靶法测量发散角示意图
二． 单色性和时间相干性（不同时间发射光束的相干态）
系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想
像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。因为一
般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像
就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一
个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这
样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨
率越低。这个限制是物理光学的限制，是光的
衍射百度文库成的。 L 1