激光的基本原理及其特性讲课稿.ppt
《激光的基本原理及其特性讲课稿.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《激光的基本原理及其特性讲课稿.ppt(91页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、激光的基本原理及其特性参考书目参考书目 俞宽新等编著,俞宽新等编著,激光原理与技术激光原理与技术北京工业大学出版社北京工业大学出版社 周炳琨等编著,周炳琨等编著,激光原理激光原理 国防工业出版社国防工业出版社 陈玉清等编著,陈玉清等编著,激光原理激光原理 高等教育出版社高等教育出版社 李相银等编著,李相银等编著,激光原理技术及应用激光原理技术及应用 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社教学组织方式与学时分配教学组织方式与学时分配利用多媒体授课利用多媒体授课 教学内容教学内容 课时课时第一章第一章1212第二章第二章8 8第三章第三章7 7第四章第四章4 4第六章第六章8 8第七章第七章6
2、6总计总计4545考核方式考核方式n考试考试平时平时(出勤出勤+作业作业+平时表现平时表现)20%)20%实验实验 30%30%期末考试期末考试 50%50%第第1 1章章 激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性1.1 1.1 激光的特性激光的特性1.2 1.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件1.3 1.3 激光产生的充分条件激光产生的充分条件1.4 1.4 谱线加宽谱线加宽1.5 1.5 谱线加宽下的增益系数谱线加宽下的增益系数1.6 1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程1.7 1.7 连续与脉冲工作连续与脉冲工作1.8 1.8 粒子数反转分布条件粒子数反转分布条件1.9 1.9
3、 激光放大的阈值条件激光放大的阈值条件1.10 1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引1.11 1.11 激光器的输出特性激光器的输出特性1.12 1.12 激光器的泵浦技术激光器的泵浦技术1.1 1.1 激光的特性激光的特性单色性单色性方向性方向性相干性相干性高亮度高亮度单色性和时间相干性单色性和时间相干性n光源单色性的量度光源单色性的量度:频带宽度频带宽度时间相干性:光源中同一辐射源在不同时时间相干性:光源中同一辐射源在不同时间辐射出的光束之间的相干性间辐射出的光束之间的相干性光波的相干时间光波的相干时间:谱线宽度越窄谱线宽度越窄,或单色性越好或单色性越
4、好,相干时间越长相干时间越长,即时即时间相干性越好间相干性越好.普通光源普通光源:谱线宽度谱线宽度10101414HzHz的量级的量级单模稳频气体激光器:单模稳频气体激光器:10 10HzHz以上的量级以上的量级方向性与空间相干性方向性与空间相干性n方向性方向性普通光源普通光源:4:4激光激光:毫弧度毫弧度n空间相干性空间相干性 发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.相干面积相干面积相干长度相干长度相干体积相干体积高亮度高亮度定义定义:光源在单位面积上光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射向某一方向的单位立体角内发射的光功率的光功率.截面
5、为截面为A A的光源单色亮度的光源单色亮度一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达其亮度可达10101818 W/cmW/cm2 2.sr,.sr,它比太阳表面的亮度它比太阳表面的亮度2*102*103 3 W/cm W/cm2 2.sr.sr要高要高1515个数个数量级量级1.2 1.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件n1.2.1 1.2.1 二能级系统的三种跃迁二能级系统的三种跃迁一、自发辐射一、自发辐射二、受激跃迁二、受激跃迁三、三、EinsteinEinstein辐射系数之间的关系辐射系数之间的关系一一.自发辐射自发辐射表1.1蓝宝石二二.受激跃迁受激
6、跃迁n(一一)受激吸收受激吸收n(二二)受激辐射受激辐射三三.Einstein.Einstein辐射系数之间的关系辐射系数之间的关系当三种过程都存在时当三种过程都存在时,总变化率为总变化率为 简并度1.2.2 1.2.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增量与单个光子能量的乘积量与单个光子能量的乘积辐射放大辐射放大产生激光的必要条件:产生激光的必要条件:工作物质处于粒子数反转分布状态工作物质处于粒子数反转分布状态增益介质:增益介质:1.3 激光产生的充分条件激光产生的充分条件1.3.1.饱和光强的概念饱和
7、光强的概念饱和光强饱和光强饱和长度饱和长度1.3.2 饱和光强的简单计算饱和光强的简单计算当光通过增益介质时,上能级粒子数的变化率为当光通过增益介质时,上能级粒子数的变化率为稳态时稳态时小信号情况小信号情况随光强的增长,随光强的增长,u减小,减小,使使u减小为小信号值的时的光强为饱和光强减小为小信号值的时的光强为饱和光强其中其中受激辐射截面1.3.3 产生激光的充分条件产生激光的充分条件如果在增益介质的有效长度内光强可以从如果在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到微小信号增长到,则对激光来说是充分,则对激光来说是充分的的求有效长度求有效长度园柱形增益介质,假设介质中已经实现了反转粒子分
8、布园柱形增益介质,假设介质中已经实现了反转粒子分布设光辐射起源于介质一端长度为设光辐射起源于介质一端长度为l的区域的区域单位时间内由自发发射产生的总辐射能单位时间内由自发发射产生的总辐射能令光强经介质放大后达到饱和光强令光强经介质放大后达到饱和光强设设光强等于单位截面的能量例例1.1已知某激光工作物质增益系数为已知某激光工作物质增益系数为100m-1,长度,长度0.08m求满足产生激求满足产生激光充分条件的光充分条件的da.例已知例已知d:YAG激光材料增益系数激光材料增益系数10m-1,设材料长度,设材料长度0.5m,直径,直径da=0.1m,试问小信号单次通过该介质光强试问小信号单次通过该
9、介质光强能否达到饱和?能否达到饱和?微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和1.4 谱线加宽谱线加宽原子系统能级的弥散原子系统能级的弥散1.4.1概述概述海森堡测不准关系海森堡测不准关系相干辐射的中心频率为相干辐射的中心频率为上下边频分别为上下边频分别为谱线宽度为谱线宽度为谱线加宽特性的描述:线形函数谱线加宽特性的描述:线形函数定义定义线形函数是归一化的线形函数是归一化的求和表示可以有多种自发辐射分类分类1.均匀加宽均匀加宽2.非均匀加宽非均匀加宽1.4.2均匀加宽均匀加宽1.自然加宽自然加宽由测不准关系决定谱线加宽由测不准关系决定谱线加宽线形函数线
10、形函数自然宽度自然宽度2.碰撞加宽碰撞加宽当原子密度足够高时当原子密度足够高时,原子之间的碰撞引起原子之间的碰撞引起的谱线加宽的谱线加宽加宽加宽加宽:的速率干扰辐射原子的相加宽:的速率干扰辐射原子的相位位均匀加宽均匀加宽特点:对同类原子中的每个个体都是相同的特点:对同类原子中的每个个体都是相同的考虑自然加宽和碰撞加宽,总的均匀加宽为考虑自然加宽和碰撞加宽,总的均匀加宽为大多数固体激光跃迁的谱线加宽大多数固体激光跃迁的谱线加宽气体激光的碰撞加宽气体激光的碰撞加宽比例系数比例系数 与原子间的碰撞截面,温度等有与原子间的碰撞截面,温度等有关关1.4.3.非均匀加宽非均匀加宽特点:不同原子或原子群对谱
11、线的不同部分有贡特点:不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献献分类:多谱勒加宽和非晶态加宽分类:多谱勒加宽和非晶态加宽一、一、oppler 加宽加宽(气体工作物质)(气体工作物质)设有静止时辐射频率为设有静止时辐射频率为 的原子的原子(光源光源)以速度以速度v 朝向或背朝向或背离观察者离观察者(接收器接收器)运动运动,则被探测到的频率分别为则被探测到的频率分别为对气体原子对气体原子,平均速度平均速度的取值范围在的取值范围在102103m/s要求谱线宽度值要求谱线宽度值 代入代入Maxwell速度公式速度公式原子的发光强度与发光原子数成正比原子的发光强度与发光原子数成正比当时,上式有极大值当时,
12、上式有极大值高斯分布而有例求氖原子辐射例求氖原子辐射nm光谱光谱线的多谱勒宽度线的多谱勒宽度?(T=300K)二、非晶态加宽二、非晶态加宽u非晶态材料非晶态材料,是由分子的奖状混合物凝结在固体中是由分子的奖状混合物凝结在固体中形成的形成的,导致一些小的区域中的分子有稍微不同的导致一些小的区域中的分子有稍微不同的取向取向.u应力不同应力不同,每个粒子的能级略有不同每个粒子的能级略有不同u材料的不同部分辐射频率也不同材料的不同部分辐射频率也不同.u总的发射线宽具有高斯线性总的发射线宽具有高斯线性.n综合加宽综合加宽1.5 谱线加宽下的增益系数谱线加宽下的增益系数线型函数线型函数g(v)定定义为辐射
13、光射光强中中频率率处于于v领域域单位位频率率间隔的光隔的光强与与总光光强之比也可理解之比也可理解为跃迁几率按迁几率按频率的率的分布函数分布函数从而从而爱因斯坦系数因斯坦系数为自发跃迁引起自发跃迁引起u变化的速率变化的速率即谱线加宽对其没有影响即谱线加宽对其没有影响受激辐射引起受激辐射引起u变化的速率变化的速率增益系数(考虑谱线加宽)增益系数(考虑谱线加宽)均匀加宽均匀加宽多谱勒加宽多谱勒加宽其中其中于是得于是得在处取最大值在处取最大值1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程速率方程:能级粒子数密度随时间变化的微分方程速率方程:能级粒子数密度随时间变化的微分方程1.速率方程的建立速率方程的建立1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 激光 基本原理 及其 特性 讲课
限制150内