激光原理与第一节课 .pptVIP

2004年10月9日 福建师范大学物光学院 陈建新 激光原理 福建师范大学物光学院 陈建新 激光原理 陈建新 jxchen@pku.edu.cn 福建师范大学物理与光电信息科技学院 第一章 激光的物理基础 光的电磁波理论 光波的模式和光子的量子状态 光的相干性和相干体积 光子简并度 黑体辐射 光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 激光的产生 激光器和激光的特性 黑体辐射的普朗克公式 黑体(绝对黑体)：指入射到该物体面上各种波长的能量都能完全吸收的物体。 光的自发辐射、受激辐射、受激吸收 光的自发辐射、受激辐射、受激吸收 光的自发辐射、受激辐射、受激吸收 光的受激辐射和自发辐射的区别 光的受激辐射的特点 光的受激辐射放大称为激光 有一束能量为 的入射光子通过激活物质，光的受激辐射过程超过受激吸收过程，受激辐射占主导地位，光在激活物质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。 激光的产生 当光与物质相互作用时，自发辐射、受激辐射和受激吸收这三个过程是同时出现的，如何实现大量原子的受激辐射产生激光? 集居数反转分布(粒子数反转分布) 在物质处于热平衡状态，各能级上的集居数服从波耳兹曼统计分布 集居数反转是实现激光的必要条件 泵浦(或抽运)的方法 光泵浦 放电泵浦 化学反应泵浦 重粒子泵浦 离子辐射泵浦 选取能实现粒子数反转的工作物质 红宝石激光器 光的自激振荡和激光谐振腔 光的自激振荡：光在增益介质内传播放大，总存在各种各样的光损耗，当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个稳定的极限值。 只要激光放大器的长度足够大，就可能成为一个自激振荡器，实现稳定运转的激光振荡。 实际的激光振荡器是将具有一定长度的光学放大器放置在由两块镀有高反射率的反射镜所构成的光学谐振腔内。 激光产生的三个前提条件 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构； 有外界激励源，使激光上下能级之间产生集居数反转； 有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。 第一章小结 第二章 光学谐振腔 光学谐振腔的构成和作用 光学谐振腔的模式 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽 光学谐振腔的几何光学分析 光学谐振腔的衍射理论分析 平行平面腔的Fox-Li数值迭代法 稳定球面镜共焦腔 一般稳定球面镜腔及等价共焦腔 非稳定谐振腔 选模技术 第一节 光学谐振腔的构成 光学谐振腔的种类 谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔 开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、非稳定腔 反射镜形状，球面腔与非球面腔，端面反射腔与分布反馈腔 反射镜的多少，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔 闭腔、开腔、气体波导腔 稳定腔和非稳定腔 由两块相距为L、平行放置的平面反射镜构成 第一节 光学谐振腔的作用 1. 提供光学正反馈作用 ： 使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。 影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素： 组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。 研究光学谐振腔的目的 通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的要求 第二节 光学谐振腔的模式(波型) 在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征态之中，场的每种本征态将具有一定的振荡频率和空间分布。 光学谐振腔的模式: 谐振腔内可能存在的电磁场本征态。 模式与腔的结构之间具有依赖关系 光学谐振腔的模式分为：纵模和横模 谐振条件和驻波条件 驻波的定义：二振幅相同的相干波，在同一直线上反向传播时迭加的结果称为驻波。 纵模-纵向的稳定场分布 激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布 整数q称为纵模的序数，驻波系统在腔的轴线上零场强度的数目 腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的 单频激光器和多模激光器 L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器 激光器中出现的纵模数 工作原子自发辐射的荧光线宽越大，可能出现的纵模数越多。 激光器腔长越大，相邻纵模的频率间隔越小，同样的荧光谱线线宽内可以容纳的纵模数越多。 激光谐振腔内低阶纵模分布示意图 激光纵模分布示意图 横模-横向X-Y面内的稳定场分布 横模电场分布及强度示意图 激光谐振腔内电场横模分布示意图 激光谐振腔内电场横模分布示意图 激光多横模振荡示意图 横模(自