光电子学基础知识课件.ppt
关于光电子学基础知识现在学习的是第1页，共50页前言前言光电子技术定义光电子技术定义 光电子技术是光学技术与电子技术结光电子技术是光学技术与电子技术结合的产物，是电子技术在光频波段的延续合的产物，是电子技术在光频波段的延续与发展。是研究光（特别是相干光）的产与发展。是研究光（特别是相干光）的产生、传输、控制和探测的科学技术。生、传输、控制和探测的科学技术。 未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。 现在学习的是第2页，共50页前言前言本课程的结构和内容安排&第一章第一章 电磁波与光波（理论基础）电磁波与光波（理论基础）&第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源&第三章第三章 光波的传输光波的传输&第四章第四章 光波的调制光波的调制&第五章第五章 光波的探测与解调光波的探测与解调出发点：出发点： 一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传播，一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。 现在学习的是第3页，共50页麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式高斯定理高斯定理 斯托克斯定律斯托克斯定律麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式边界条件边界条件电磁波的性质电磁波的性质电磁波谱电磁波谱现在学习的是第4页，共50页 sdtDIldHsdBsdtBldEqsdD000麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式现在学习的是第5页，共50页麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 高斯定理高斯定理 斯托克斯定律斯托克斯定律 高斯定理：高斯定理： 斯托克斯定律：斯托克斯定律：SdAVdASVSdAldASl现在学习的是第6页，共50页麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 15. 1000tDjHBtBED现在学习的是第7页，共50页麦克斯韦方程组的物理意义麦克斯韦方程组的物理意义0 ()式：电位移矢量或电感应强度的散度式：电位移矢量或电感应强度的散度等于电荷密度，即电等于电荷密度，即电 场为有源场。场为有源场。 ()式：磁感强度的散度为零，即磁场为式：磁感强度的散度为零，即磁场为无源场。无源场。 ()式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 ()式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。现在学习的是第8页，共50页电场与磁场的激发电场与磁场的激发不符合右手法则（为负）不符合右手法则（为负）tB符合右手法则符合右手法则tD现在学习的是第9页，共50页电磁波的传播电磁波的传播电场波源磁场磁场磁场磁场磁场电场电场电场现在学习的是第10页，共50页边界条件边界条件012EEn界面两侧电场的切向分量连续界面两侧电场的切向分量连续12HHn界面两侧磁场的切向分量发生了跃变界面两侧磁场的切向分量发生了跃变12DDn界面两侧电场的法向分量发生了跃变界面两侧电场的法向分量发生了跃变012BBn界面两侧磁场的法向分量连续界面两侧磁场的法向分量连续 边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分重要。重要。现在学习的是第11页，共50页平面电磁波的性质平面电磁波的性质电磁波是横波，电矢量电磁波是横波，电矢量E、磁矢量、磁矢量H和传播方向和传播方向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。为传播方向的单位矢量）两两垂直。HEHE0000真空中介质中smCkv/1031180000 E和和H幅度成比例、复角相等幅度成比例、复角相等 电磁波的传播速度电磁波的传播速度现在学习的是第12页，共50页为什么说光波是电磁波为什么说光波是电磁波?1) 根据麦氏方程推导根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为电磁波在真空中的速度为smc800101074.31sm8103当时通过实验测得的真空中的光速也为当时通过实验测得的真空中的光速也为cv 2) 根据麦氏方程根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为电磁波在介质中的速度为cv （对于非铁磁质）（对于非铁磁质）ncvvcn根据光学中折射率的定义，则根据光学中折射率的定义，则现在学习的是第13页，共50页为什么说光波是电磁波为什么说光波是电磁波?如果光波是电磁波，比较上面两式：如果光波是电磁波，比较上面两式：ncvcv和n而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率能很好的符合。而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率能很好的符合。当时测得的为有极分子物质，上式中的当时测得的为有极分子物质，上式中的用光波频率时的值，则上式就成立用光波频率时的值，则上式就成立了。平时了。平时在低频电场下测量。在低频电场下测量。所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。麦克斯韦关麦克斯韦关系式系式现在学习的是第14页，共50页 玻尔假说及玻尔频率条件玻尔假说及玻尔频率条件 粒子数正常分布粒子数正常分布 三种跃迁过程能级的寿命三种跃迁过程能级的寿命 爱因斯坦公式及其系数之间的关系爱因斯坦公式及其系数之间的关系 粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 激光器的结构及各部分的功能激光器的结构及各部分的功能 为什么四能级系统比三能级系统效率高为什么四能级系统比三能级系统效率高 阈值条件阈值条件 形成激光的条件形成激光的条件 纵模和横模纵模和横模 几种典型的激光器几种典型的激光器现在学习的是第15页，共50页E1E2E3激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说玻尔假说：玻尔假说： 1）原子存在某些定态，在这些）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某能。原子定态的能量只能采取某些分立的值些分立的值E1、 E2 、 、En ，而不能采取其它值。而不能采取其它值。 2）只有当原子从一个定态跃迁）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸收到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。电磁辐射。电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射现在学习的是第16页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说 玻尔频率条件：玻尔频率条件：hEEEEhmnmn或式中式中h为普郎克常数为普郎克常数：sJh341062.6现在学习的是第17页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说原子能级原子能级 原子从高能级向低能级原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的跃迁时，相当于光的发发射射过程；而从低能级向高过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的能级跃迁时，相当于光的吸收吸收过程；两个相反的过程；两个相反的过程都满足玻尔条件。过程都满足玻尔条件。基态：基态：能级中能级中能量最低能量最低E1E2E3激发态激发态现在学习的是第18页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布波尔兹曼分布律：波尔兹曼分布律： 若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律。设布将服从一定的规律。设T 为原子体系的热平衡绝对为原子体系的热平衡绝对温度；温度；Nn为在能级为在能级En上的粒子数则上的粒子数则)2 . 2()/exp(kTENnn即随着能级增高，能级上的粒子数即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少，式按指数规律减少，式中中k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。现在学习的是第19页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布 在热平衡状态中，高能级上的粒子数在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能级上的一定小于低能级上的粒子数粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。，两者的比例由体系的温度决定。 1/ )(exp)/exp()/exp(121212kTEEkTEkTENN按这个正则分布规律：按这个正则分布规律：现在学习的是第20页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)E2E1h 若原子处于高能级若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时间内，它的意义是在单位时间内，E2能级上能级上N2个粒子数中自发跃迁的个粒子数中自发跃迁的粒子数与粒子数与N2的比值。如果的比值。如果E2能级下只有能级下只有E1能级，则在能级，则在dt时间内，由高能级时间内，由高能级E2自自发辐射到低能级发辐射到低能级E1的粒子数记作的粒子数记作dN21：22121NAdtdN现在学习的是第21页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射) A21称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个处于处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。几率。 自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。只由原子本身性质决定。假设假设E2能级只向能级只向E1能级跃迁，则能级跃迁，则tANNdtNAdNdN21022221212exp 积分后得：现在学习的是第22页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)-式中式中N20 为为t0 时刻时刻E2 能级上的粒子数，能级上的粒子数， =1/A21 反映粒子平均在反映粒子平均在E2 能级上的寿命。由上式可知，自能级上的寿命。由上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。/expexp0221022tNtANN现在学习的是第23页，共50页能级的寿命能级的寿命 粒子在粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称平均寿命，简称寿命寿命。 上式表明，上式表明，N2减少的快慢与减少的快慢与A21有关有关。自发辐射系数。自发辐射系数A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间 t 后，后，留在留在E2上的粒子数上的粒子数N2就愈少。令就愈少。令 =1/A21 反映粒子反映粒子平均在平均在E2能级上的寿命。它恰好是能级上的寿命。它恰好是E2上粒子数减少为上粒子数减少为初始时的初始时的1/e 约约（36%）所用的时间。所用的时间。现在学习的是第24页，共50页能级的寿命能级的寿命 于是有于是有/exp022tNN 由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的过程就慢，由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的过程就慢，粒子在粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态亚稳态。其寿命。其寿命可达可达10-31s，而一般激发态寿命仅有，而一般激发态寿命仅有10-8s。现在学习的是第25页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收) 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为率为v（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为的电磁波（即有能量恰好为hv E2-E1 的光子），使在低能级的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，可以跃迁上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。去，这个过程称为受激吸收。E2E1h现在学习的是第26页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收) 为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数B12。 设辐射场中单色辐射能量密度为设辐射场中单色辐射能量密度为u(v)度，则在单位体积中，度，则在单位体积中，从能级从能级 E1 跃迁到跃迁到 E2 的粒子数为的粒子数为)5 . 2()(11212dtNvuBdN B12 是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的确定的B12值。值。现在学习的是第27页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收)，则令)(1212vuBU112121NdtdNUdtNvuBdN11212)( U12 的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v)的光照下，的光照下，由于受激吸收而从能级由于受激吸收而从能级E1跃迁到跃迁到E2上的粒子数与能级上的粒子数与能级E1上的总粒子数之比，上的总粒子数之比，也可以理解为每一个处于能级也可以理解为每一个处于能级E1的粒子，在的粒子，在u(v)的光照下，在单位时间内发生受的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。激吸收的几率。 因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来辐射场的因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来辐射场的u(v)有关的过程。有关的过程。现在学习的是第28页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射) 当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级级E2上时，这时会发生一个十分重要的过程上时，这时会发生一个十分重要的过程受激辐射过程受激辐射过程。如果外来如果外来光的频率正好等于光的频率正好等于（ E2 -E1）/h ，由于受到入射光子的激发，由于受到入射光子的激发， E2 能级上的粒能级上的粒子会跃迁而回到子会跃迁而回到E1 能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激振动方向、相位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。光的产生奠定了理论基础。E2E1hh现在学习的是第29页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射) 式中式中B21 叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能级系叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能级系统本身的特征参数；统本身的特征参数；U21 则表示在单位时间内，在单色辐则表示在单位时间内，在单色辐射能量密度射能量密度u(v) 的光照下，由于受激辐射而从高能级的光照下，由于受激辐射而从高能级E2 跃迁到跃迁到E1 的粒子数与的粒子数与E2 能级总粒子数之比，也就是在能级总粒子数之比，也就是在E2 能能级上每一个粒子在单位时间内发生受激辐射的几率。级上每一个粒子在单位时间内发生受激辐射的几率。2121221212( )( )UB u v NdNB u v Ndt现在学习的是第30页，共50页三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射与自发辐射的区别受激辐射与自发辐射的区别)受激辐射与自发辐射虽然都是受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐射的相干性最重要的区别在于光辐射的相干性，由，由自自发辐射发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性任意性，而，而受受激辐射激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有有高度的简并性高度的简并性。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增加，自发辐射光功率射场越强，受激辐射也随之增加，自发辐射光功率I I自自和受激辐射和受激辐射I I受受分别分别为为hvvuBNIhvANI)(212212受自21212121)(AWAvuBII两者之比为自受在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。度比自发辐射的强度大几个数量级。现在学习的是第31页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 三种跃迁过程三种跃迁过程E2E1h自发辐射自发辐射E2E1受激吸收受激吸收hE2E1受激辐射受激辐射hhh22121NAdtdN22121)(NvuBdtdN11212)(NvuBdtdN112221221)()(NvuBNANvuBTT现在学习的是第32页，共50页2112212121122133exp1exp8BkThvBABNNBAkThvch激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式112221221)()(NvuBNANvuBTT21211221221112221)(BNNBANBNBNAvuT1exp8,4)(330kThvchTcvuTkThvkTEENNexp/)exp(1221普朗克黑体辐普朗克黑体辐射公式射公式玻尔条件玻尔条件现在学习的是第33页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式21331233212112331221888BchBchABBBchBA或及至此可以看出：至此可以看出：A21、B12、B21三个爱因斯坦系数是三个爱因斯坦系数是相互关联相互关联的，它们之间存在着内在的联系，决不的，它们之间存在着内在的联系，决不是相互孤立的；是相互孤立的；对一定原子体系而言，自发辐射系数对一定原子体系而言，自发辐射系数A与受激辐射系数与受激辐射系数B之比正比于频率之比正比于频率的三次的三次方，因而方，因而E1与与E2能级差越大，能级差越大，就越高，就越高，A与与B的比值也就越大，也就是说的比值也就越大，也就是说越高越高越易自发辐射，受激辐射越难，一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比率很越易自发辐射，受激辐射越难，一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。小，主要是自发辐射。 现在学习的是第34页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数反转和光放大（1）当）当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，粒子数按时，粒子数按波尔兹曼正则分布。此时有波尔兹曼正则分布。此时有dNdN1212dNdN2121，宏观效果表现为光被吸收。，宏观效果表现为光被吸收。 （2 2）当当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，高能级时，高能级E E2 2上的粒子数上的粒子数N N2 2大于低能级大于低能级E E1 1上上的粒子数的粒子数N N1 1，出现所谓的，出现所谓的“粒子数反转分布粒子数反转分布”情况。情况。形成激光形成激光的必要条件。的必要条件。此时有此时有dNdN2121dNdN12，宏观效果表现为光被放大，或，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。称光增益。 能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。现在学习的是第35页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光器的基本结构激励能源激励能源激活介质激活介质光学谐振腔光学谐振腔R100%R为为80%90%使入射光得到使入射光得到放大，是放大，是核心核心供给工作物质能供给工作物质能量量只让与反射镜轴向平行的光束能在激活只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。后形成稳定的激光输出。现在学习的是第36页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激活介质的粒子数反转与增益系数激活介质的粒子数反转与增益系数无辐射跃迁无辐射跃迁抽运抽运抽运抽运激励激励E3E0E2E3A21E1E2E1A21B12B12B21B21三能级图四能级图亚稳态基态激发态现在学习的是第37页，共50页三能级系统原理三能级系统原理 E E1 1为基态，为基态，E E2 2、E E3 3 为激发态，中间能级为激发态，中间能级E E2 2为亚为亚稳态。在泵浦作用下，基态稳态。在泵浦作用下，基态E E1 1的粒子被抽运到激发态的粒子被抽运到激发态E E3 3上，上，E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1随之减少。但由于随之减少。但由于E E3 3能级的寿能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁无辐射跃迁的方式转的方式转移到亚稳态移到亚稳态E E2 2上。由于上。由于E E2 2态寿命长，其上就累积了大态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即量的粒子，即N N2 2大于大于N N1 1，于是，于是实现了亚稳态实现了亚稳态E E2 2与基态与基态E E1 1间的粒子数反转分布。间的粒子数反转分布。现在学习的是第38页，共50页四能级系统原理四能级系统原理 三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使才可使N N2 2 N N1 1 ，实现粒子数反转。，实现粒子数反转。 四能级系统是使系统在两个激发态四能级系统是使系统在两个激发态E E2 2、E E1 1之间实现粒子数反之间实现粒子数反转。因为这时低能级转。因为这时低能级E E1 1 不是基态而是激发态，其上的粒子数不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态本来就极少，所以只要亚稳态E E2 2上的粒子数稍有积累，就容上的粒子数稍有积累，就容易达到易达到N N2 2 大于大于N N1 1，实现粒子数反转分布，在能级，实现粒子数反转分布，在能级E E2 2 、E E1 1 之间之间产生激光。于是，产生激光。于是，E E3 3 上的粒子数向上的粒子数向E E2 2 跃迁跃迁， E E1 1上的粒子数向上的粒子数向E E0 0 过渡，整个过程容易形成连续反转，过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统因而四能级系统比三能级系统的效率高的效率高。 现在学习的是第39页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别为反射率分别为R1、R2，透射，透射率分别为率分别为T1、T2 GLIIexp12GLIRIRIexp12223GLIRGLII2expexp1234GLIRRIRI2exp12141522IT31IT现在学习的是第40页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值p 要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必须保证：须保证：R2R1I1exp(2GL)I1,即即 R2R1exp(2GL)1 (2.15)p 对于给定的谐振腔对于给定的谐振腔R1、R2，L是一定的。从上式可见，是一定的。从上式可见，要使其左端大于或等于要使其左端大于或等于1，必须使增益系数，必须使增益系数G大于某个最大于某个最低值低值Gm，这个使（，这个使（2.15）式成立的）式成立的Gm值，就是谐振腔的阈值，就是谐振腔的阈值增益。（值增益。（2.15）式称为谐振腔的阈值条件。）式称为谐振腔的阈值条件。 现在学习的是第41页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值 综上所述，形成激光的必要条件有两个：综上所述，形成激光的必要条件有两个： 在激光器工作物质内的某些能级间实现粒在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布子数反转分布 激光器必须满足阈值条件激光器必须满足阈值条件 现在学习的是第42页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 谐振腔的作用：谐振腔的作用：l使激光具有很好的方向性使激光具有很好的方向性 ；l使激光具有极好的单色性（频率选择器）；使激光具有极好的单色性（频率选择器）； 现在学习的是第43页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 激光的纵模：激光的纵模： 光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。 激光的横模：激光的横模： 激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。为激光的横模。 现在学习的是第44页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。图用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。图2-9是激光的几种横模图形，按其对称性可分为轴对称横是激光的几种横模图形，按其对称性可分为轴对称横模图模图2-9(a)和旋转对称横模图和旋转对称横模图2-9(b)。 轴对称轴对称 旋转对称旋转对称(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM10现在学习的是第45页，共50页激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 激光的模式一般用激光的模式一般用TEMmnk表示，表示，TEM是电磁是电磁横波的缩写，横波的缩写，k为纵模数。在轴对称横模中，为纵模数。在轴对称横模中，m,n分分别表示光束横截面内在别表示光束横截面内在x方向和方向和y方向出现的暗区方向出现的暗区（即节点）数，如（即节点）数，如TEM13，在，在x方向有方向有1个暗区，在个暗区，在y方向有方向有3个暗区；在旋转对称横模中，个暗区；在旋转对称横模中，m表示沿半径表示沿半径方向出现的暗环数，方向出现的暗环数，n表示圆中出现的暗直径数。表示圆中出现的暗直径数。如如TEM03，图中无暗环，有三条暗直径。，图中无暗环，有三条暗直径。现在学习的是第46页，共50页氦氖激光器氦氖激光器 氦氖激光器在两方面有里程碑意义氦氖激光器在两方面有里程碑意义: 一方面它第一次实现了连续性。一方面它第一次实现了连续性。固体激光器固体激光器都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光束有很多好处，为应用开辟了广阔的道路。束有很多好处，为应用开辟了广阔的道路。 另一方面证明了可以用放电方法产生激光另一方面证明了可以用放电方法产生激光，只要在两种不同的工作介质中选定适当的能只要在两种不同的工作介质中选定适当的能级，就有可能实现光的放大，为激光器的发级，就有可能实现光的放大，为激光器的发展展示了多种渠道的可能性。展展示了多种渠道的可能性。现在学习的是第47页，共50页激光的特性激光的特性 激光由于本身形成的特点，具有比激光由于本身形成的特点，具有比普通光源更为优良的性能。激光的特点普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为三点：可以归结为三点：单色性单色性方向性方向性高强度高强度本质：高度的相干性本质：高度的相干性现在学习的是第48页，共50页激光的应用激光的应用 激光加工激光加工 特征：特征：1、热加工方法、热加工方法，可加工高熔点、高硬度材料。，可加工高熔点、高硬度材料。2、无接触加工、无接触加工，加工机可适当地与加工材料分离，因此，加工机可适当地与加工材料分离，因此，有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行加工，在磁场有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行加工，在磁场中也能进行加工。中也能进行加工。3、多种材料的微细加工、多种材料的微细加工，可以较容易实现自动控制。能够，可以较容易实现自动控制。能够对显像管这种被密封在透明容器里的产品进行修补、焊对显像管这种被密封在透明容器里的产品进行修补、焊接。接。现在学习的是第49页，共50页感谢大家观看感谢大家观看9/4/2022现在学习的是第50页，共50页
