激光光谱学中的光源
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基横模时腔内场分布
横模选择
在许多应用中，要求激光器具有很高的光束质量（方向性）。 从振荡模式中选出基横模TEM00，并抑制其他高阶振荡模，基模衍射损耗最 小，能量集中在腔轴附近，使光束发散角得到压缩，从而改善其方向性。
纵模：反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化
为π的整数倍时，形成驻波，这时腔内的稳定光场分布称为纵模
激光的特性
√能量集中，高方向性
光束发散角=2 α
探照灯-35毫弧度=1度
激光---10-2毫弧度 投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里
√高强度，高亮度
测地—月距离精度达几厘米
太阳表面亮度约103W·cm-2·sr-1 ；大功率激光亮度1010 - 1017W·cm2强·sr度-1：聚焦状态可达到 I 1017 W/cm2 脉冲瞬时功率可达～10 14 W
当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因 受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低 能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能 量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于 处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反 转分布，简称粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation
第二节 粒子数反转
受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为 什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。
3 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当 有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激 励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完 全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原 子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相 同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。 这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就 是激光。
适当的工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子 数反转。
第三节 激光器基本结构
1．激光工作物质 必须能在该物质中实现粒子数反转。
可以是气体、液体、固体或半导体。 现已有工作物质近千种，可以产生波 长从紫外到远红外波段
2. 激励源（泵） 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于 高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用 脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断 地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源 形象地称为泵。
共心腔：两凹面镜的曲率中心在腔内重合 R1+R2=L (3)、平面凹面反射镜腔
L R / 2 半共焦腔。
谐振腔还可分为稳定腔和非稳定腔两种： 稳定腔：光在腔内不论反射多少次数始终不偏离腔体 非稳腔：光在腔内来回反射后偏离偏离腔体
谐振腔的损耗
几何偏折损耗、衍射损耗、反射不完全引起的损耗、材料损耗
1、光子在腔内的平均寿命τR
δ为各种原因引起的总损耗因子
2、无源腔的Q值 ε为存储在腔内的总能量，P单位时间内损耗的能量 腔损耗越小，Q越高
激光器模式：横模和纵模
横模：反映激光输出横截面上的光强度分布情况
1）定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布 激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式， 2）激光横模的表示法：TEMmnTEM表示横电磁，m,n为序数，分别表示水 平（x）和垂直（y）方向的极小值数目；TEM00表示基横模
源自文库
谐振频率
mnq
c 2L
q
1
(1 m n) cos1
3．谐振腔
光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效
的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。
所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的 平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透 射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：①提供光 学正反馈，②限制激光的模式。
l
全反射镜
. 激光光束
部分透光反射镜
光学谐振腔示意图
谐振腔基本类型
（1）、平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面反射镜构成 (2)、凹面反射镜腔
由相距为L，曲率半径分别为R1和R2的两块凹面反射镜构成。对于凹面反射镜， 曲率半径R与焦距f的关系为：f R / 2
共焦腔：两反射镜焦距之和等于镜面间距f1+f2=L 当f1=f2时，为对称共焦腔
第一节 物质与光相互作用的规律
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子， 同时改变自身运动状况的表现。
微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能 级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子 从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此
可产生108K的高温 引起核聚变
√单色性好
具有单一频率的光波称为单色光
单色性： /λ 或
氪灯——10-6 普通氦氖激光——10-12
√相干性强
普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是 受激辐射,它发出的光是相干光.
相干长度：单色性越好，相干长度越长 普通光源——几厘米 激光可达——105千米
。 两能级间的能量差△E，频率为 =△E/h（h为普朗克常量）
1. 光吸收
原子吸收外来光子
能量 h, 并从低能
级 跃E1 迁到高能
级 ,且E2
,
这个E过2 程E1称为h光吸
收.
2 自发辐射
原子在没有外界干 预的情况下,电子会由
处自于动激跃发迁态到的低高能能级级E1E, 2
这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光 辐射称为自发辐射.
横模选择
在许多应用中，要求激光器具有很高的光束质量（方向性）。 从振荡模式中选出基横模TEM00，并抑制其他高阶振荡模，基模衍射损耗最 小，能量集中在腔轴附近，使光束发散角得到压缩，从而改善其方向性。
纵模：反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化
为π的整数倍时，形成驻波，这时腔内的稳定光场分布称为纵模
激光的特性
√能量集中，高方向性
光束发散角=2 α
探照灯-35毫弧度=1度
激光---10-2毫弧度 投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里
√高强度，高亮度
测地—月距离精度达几厘米
太阳表面亮度约103W·cm-2·sr-1 ；大功率激光亮度1010 - 1017W·cm2强·sr度-1：聚焦状态可达到 I 1017 W/cm2 脉冲瞬时功率可达～10 14 W
当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因 受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低 能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能 量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于 处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反 转分布，简称粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation
第二节 粒子数反转
受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为 什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。
3 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当 有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激 励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完 全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原 子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相 同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。 这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就 是激光。
适当的工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子 数反转。
第三节 激光器基本结构
1．激光工作物质 必须能在该物质中实现粒子数反转。
可以是气体、液体、固体或半导体。 现已有工作物质近千种，可以产生波 长从紫外到远红外波段
2. 激励源（泵） 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于 高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用 脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断 地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源 形象地称为泵。
共心腔：两凹面镜的曲率中心在腔内重合 R1+R2=L (3)、平面凹面反射镜腔
L R / 2 半共焦腔。
谐振腔还可分为稳定腔和非稳定腔两种： 稳定腔：光在腔内不论反射多少次数始终不偏离腔体 非稳腔：光在腔内来回反射后偏离偏离腔体
谐振腔的损耗
几何偏折损耗、衍射损耗、反射不完全引起的损耗、材料损耗
1、光子在腔内的平均寿命τR
δ为各种原因引起的总损耗因子
2、无源腔的Q值 ε为存储在腔内的总能量，P单位时间内损耗的能量 腔损耗越小，Q越高
激光器模式：横模和纵模
横模：反映激光输出横截面上的光强度分布情况
1）定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布 激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式， 2）激光横模的表示法：TEMmnTEM表示横电磁，m,n为序数，分别表示水 平（x）和垂直（y）方向的极小值数目；TEM00表示基横模
源自文库
谐振频率
mnq
c 2L
q
1
(1 m n) cos1
3．谐振腔
光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效
的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。
所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的 平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透 射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：①提供光 学正反馈，②限制激光的模式。
l
全反射镜
. 激光光束
部分透光反射镜
光学谐振腔示意图
谐振腔基本类型
（1）、平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面反射镜构成 (2)、凹面反射镜腔
由相距为L，曲率半径分别为R1和R2的两块凹面反射镜构成。对于凹面反射镜， 曲率半径R与焦距f的关系为：f R / 2
共焦腔：两反射镜焦距之和等于镜面间距f1+f2=L 当f1=f2时，为对称共焦腔
第一节 物质与光相互作用的规律
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子， 同时改变自身运动状况的表现。
微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能 级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子 从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此
可产生108K的高温 引起核聚变
√单色性好
具有单一频率的光波称为单色光
单色性： /λ 或
氪灯——10-6 普通氦氖激光——10-12
√相干性强
普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是 受激辐射,它发出的光是相干光.
相干长度：单色性越好，相干长度越长 普通光源——几厘米 激光可达——105千米
。 两能级间的能量差△E，频率为 =△E/h（h为普朗克常量）
1. 光吸收
原子吸收外来光子
能量 h, 并从低能
级 跃E1 迁到高能
级 ,且E2
,
这个E过2 程E1称为h光吸
收.
2 自发辐射
原子在没有外界干 预的情况下,电子会由
处自于动激跃发迁态到的低高能能级级E1E, 2
这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光 辐射称为自发辐射.