激光的基本原理VIP免费

激光的基本原理张浩目录1.激光的发展2.激光的特性3.激光的基本原理4.激光的模式1.激光的发展1.1爱因斯坦的理论贡献1917年提出光受激辐射的概念，从理论上预见了激光产生的可能性。但是普通光源以自发辐射为主，受激辐射成分很少，当初没有受到重视。1.2第一台激光器的诞生1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了世界第一台红宝石激光器，波长为649.3nm。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，LASER)2.激光的特性激光的特性可以概括为单色性，方向性，相干性和高亮度。单色性一个光源发射的光所包含的波长范围越窄，它的颜色越单纯，即光源的单色性越好。单色性最好的氪同位素Kr86灯：单色性∆λ/λ=10-6数量级单模稳频氦氖激光器：单色性∆λ/λ=10-10~10-16数量级方向性一束激光射到38.6万千米的月球上，光斑的直径只有大约1千米。激光测量地月距离精度约为±15cm激光最小发散角相干性1.时间相干性描述沿光传播方向上各点的相位关系。相干时间tc：指光束传播方向上某点处，可以使两个不同时刻的光波场之间有相干性的最大时间间隔，即光源所发出的有限长波列的持续时间。相干长度Lc：可以使光束传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔，即光源所发出的光波列长度。2.空间相干性:描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的位相关系。指光场中不同空间点在同一时刻光场的相干性，可用相干面积S来描述高亮度光源的单色亮度定义为光源在单位面积、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率。3.激光的基本原理3.1三种跃迁过程自发辐射：无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1发射光子hv，光子的相位，方向是随机的，所以非相干。受激辐射：原处于高能级E的粒子,受到能量恰为ε=hv=E2-E1的光子的激励,发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1受激吸收：原处于低能级E的粒子,受到能量恰为ε=hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E23.2两个能级的粒子数3.3激光产生的条件3.3.1受激辐射光放大在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为受激光放大。由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它们是相干的，在受激辐射中产生并被放大了的光，便是激光。通常情况下受激辐射概率是微乎其微的。3.3.2粒子数反转当物质处于热平衡状态时，粒子数反转是不可能的。要想实现集居数反转：①外界向物质提供能量（泵浦）②高能级有较长的寿命3.3.3激活粒子的能级系统二能级系统上下能级的粒子数密度之比：3.3.4光的自激振荡光学谐振腔光发大原理振荡条件产生激光振荡的必要条件：增益大于损耗阈值条件：激光器实现自激振荡所需要的最低条件。激光产生需满足的三个条件：‹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转‹有激光谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。4.激光的模式激光场的每种本征状态具有一定的振荡频率和空间分布，称为一种激光模式。激光模式分为：纵模表示谐振腔内沿纵向的电磁场分布横模表示在垂直于光轴的横截面上的电磁场分布纵模横模选模纵模选择又称选频，选择其中某一频率纵模使之稳定振荡，而其余的频率都被抑制，实现单一频率的输出，从而获得高单色性激光。选择基横模振荡而抑制高阶横模的技术称为横模选择。稳定腔中，基模的衍射损耗最低，随着模式的增加衍射损耗迅速增加。而且基横模发散角小，亮度高功率密度大。