激光原理期末总复习.pptx

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1、1考试题型及时间1.选择题（20%）2.填空题（20%）3.简答、综合计算题（60%）考试时间：2014年11月17日（14:30-16:30）考试地点：笃行1-212Email：llzhuf第1页/共105页2第一章 辐射理论概要与激光产生条件1.1.激光的四个基本特点:(:(单色性好；方向性好；相干性好；亮度高）P1P12.2.玻耳兹曼分布，粒子数反转;P8;P83.3.辐射跃迁和非辐射跃迁;P8;P84.4.辐射跃迁(光和物质相互作用)包括的三种基本过程；P10P105.5.自发辐射、受激辐射和受激吸收，三个爱因斯坦系数及其相互关系;P10-13;P10-136.6.自发辐射和受激辐射的

2、特点，自发辐射和受激辐射强度的比较;P10,14;P10,14第2页/共105页37.7.单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度;P9;P98.8.光谱线型函数、光谱线宽度的定义及其对光与物质的作用光谱线型函数、光谱线宽度的定义及其对光与物质的作用的影响的影响;P15;P15，16169.9.引起自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽的原因？它们各自引起自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽的原因？它们各自具体的线型函数？具体的线型函数？P17-22P17-2210.10.均匀增宽和非均匀增宽的概念？常见的三种线型函数分别均匀增宽和非均匀增宽的概念？常见的

3、三种线型函数分别是何种增宽。是何种增宽。P23P2311.11.受激辐射大于吸收的条件？受激辐射大于吸收的条件？P26P2612.12.实现受激光放大的条件实现受激光放大的条件;P27;P2713.13.激光器的基本结构由那三个部分组成，各有何作用激光器的基本结构由那三个部分组成，各有何作用;P27;P27第一章 辐射理论概要与激光产生条件第3页/共105页4第一章 辐射理论概要与激光产生条件光具有波粒二像性：光具有波粒二像性：把光辐射场看作各种把光辐射场看作各种不同频率的电磁不同频率的电磁场场的集合的集合把光辐射场看作是把光辐射场看作是数目不固定的光子数目不固定的光子光的一个基本性质就是具有

4、波粒二像性。光的一个基本性质就是具有波粒二像性。光是电磁波，具有波动性，有一定的光是电磁波，具有波动性，有一定的频率频率和和波长波长光是光子流，光子是具有一定光是光子流，光子是具有一定能量能量和和动量动量的物质粒子的物质粒子1.光的电磁波理论光的电磁波理论第4页/共105页5光是一定频率范围内的电磁波，其运动服从电磁波理论光的波动性光的波动性nhE=22/chmhmcEnn=（2)光子具有运动质量m:Plancks constantPlancks constanth=6.626*10h=6.626*10-34-34 Joule-sec Joule-sec光子的静止质量为零。光子的静止质量为零。

5、光的粒子性光的粒子性（1）光子的能量与光波频率之间的关系：光子的能量与光波频率之间的关系：第5页/共105页6kknPp20hmc=h(3)光子的动量P:(4)光子具有两种独立的偏振状态(5)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，光子的集合服从玻色爱因斯坦统计规律第6页/共105页72 波尔兹曼分布在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：分别处于分别处于E Em m和和E En n能级上能级上的原子数的原子数n nm m和和n nn n必然满足下必然满足下一关系一关系 热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数处在低能

6、级状态的粒子数第7页/共105页8绝对黑体示意图绝对黑体示意图空腔辐射体空腔辐射体黑体黑体(绝对黑体绝对黑体)：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，即 。黑体辐射理论：黑体辐射理论：描述物体处于热平衡状态时吸收和辐射能量的宏观特征及其规律。3.普朗克的黑体辐射第8页/共105页94.4.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光的自发辐射在没有外界作用的情况下，原子从高能级E2向低能级E1的跃迁方式有两种：无辐射跃迁和自发辐射跃迁。自发辐射爱因斯坦系数A A2121表示原子在单位时间内参与自发辐射的自发辐射跃迁机率。表示原子在单位时间内参与自

7、发辐射的自发辐射跃迁机率。第9页/共105页10自发辐射平均寿命：自发辐射平均寿命：全部原子完成自发辐射所需时间全部原子完成自发辐射所需时间之和对原子数的平均。等于原子数密度由起始值降到之和对原子数的平均。等于原子数密度由起始值降到1/e所用的时间，用所用的时间，用 表示表示例如：红宝石晶体中，铬离子激光上下能级间自发例如：红宝石晶体中，铬离子激光上下能级间自发辐射系数辐射系数A21为为102s-1量级，表示它的平均寿命约为量级，表示它的平均寿命约为10-2s。第10页/共105页11自发辐射的特点原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界辐射场无关；自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态

8、和传播方向杂乱无章；光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定的偏振状态。第11页/共105页12光的受激吸收单位时间内原子受激吸收的几率爱因斯坦系数受激吸收的特点原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关；原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦吸收有关；原子的受激吸收几率与外来光辐射能力密度有关。第12页/共105页13单位时间内原子受激辐射的跃迁几率受激辐射爱因斯坦系数光的受激辐射 原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。光的受激辐射的特点光的受激辐射的特点第13页/共105页145.5.爱因斯坦三系数的相互关系爱因斯坦三系数的相互关系热平衡情况下，辐射率热平衡

9、情况下，辐射率和吸收率是相等的和吸收率是相等的根根据据各能级的原子密度服从各能级的原子密度服从玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布黑体辐射黑体辐射能量密度能量密度与普朗克公式与普朗克公式比较比较118),(33-=KTheChTnnpnr第14页/共105页15 式中式中g g1 1和和g g2 2分别分别表示能级表示能级E E1 1和和E E2 2的简并度，或称的简并度，或称统计权重统计权重由式中可见：由式中可见：1.1.当其他条件相同时，受激辐当其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同的几射和受激吸收具有相同的几率。热平衡时，高能级的原率。热平衡时，高能级的原子数少于低能级的原子数。子数少于

10、低能级的原子数。2.2.自发辐射的出现随频率的三自发辐射的出现随频率的三次方而增加，波长越短，自次方而增加，波长越短，自发辐射的几率越大。发辐射的几率越大。第15页/共105页166.6.自发辐射光功率与受激辐射光功率自发辐射光功率与受激辐射光功率受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为：之比为：对于平衡热辐射源对于平衡热辐射源 ，则有：，则有：第16页/共105页17图(1-10)光谱的线型函数 线型函数线型函数f(v)：单位频率间隔的相对光强分布，称作：单位频率间隔的相对光强分布，称作光谱线的线型函数。光谱线的线型函数。7.7.光谱线型函数

11、光谱线型函数第17页/共105页18线型函数的归一化条件：相对光强之和（积分）为1l 光谱线宽度光谱线宽度 ：相对光强为最大值的一半处：相对光强为最大值的一半处 的频率间隔，即：的频率间隔，即：考虑光谱线线型的影响后自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收第18页/共105页198.光谱线的加宽机制和类型（1）均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个发光粒子都是等同的。由于均匀加宽对每个原子的辐射的影响是相同的，因此在均匀加宽的影响下，每个原子都具有相同的辐射特性，即每个原子都以整个线型函数的形式辐射光子如：自然加宽、寿命加宽、压力加宽、热声子加宽（2）非均匀加宽：由于某种物理因素的影响，使

12、得发光原子有不同的表观中心频率，使总的辐射谱线加宽。（3）综合加宽：均匀加宽与非均匀加宽同时存在如：多普勒加宽、晶格随机缺陷加宽如：多普勒加宽、晶格随机缺陷加宽第19页/共105页20（1）从谱线加宽角度看：对均匀加宽，每个粒子的自发辐射具有完全相同的线型函数、线宽、中心频率。对非均匀加宽，介质中的发光粒子可以分类，可探测到不同的中心频率。(2)对均匀加宽，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，对非均匀加宽，某个离子的线型和线宽不等于整个介质的谱线加宽和线宽。u均匀加宽和非均匀加宽的本质差别均匀加宽和非均匀加宽的本质差别第20页/共105页21(3)对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特定频率

13、与介质中某类离子建立联系和对应关系。对非均匀加宽，某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，对其他频率无贡献。(4)当某一频率的准单色光与介质相互作用，对均匀加宽，入射光场与所有的粒子发生完全相同的共振相互作用，所有粒子具有相同的受激跃迁几率和极化强度。对非均匀加宽，只有表观中心频率与入射光场频率相应的某类粒子发生相互作用，不同粒子的极化情况也不同。u均匀加宽和非均匀加宽的本质差别均匀加宽和非均匀加宽的本质差别第21页/共105页22v有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；其激活粒子有适合于受激辐射的能级结构；v有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居数反转；形成激光的内在依据v有激

14、光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。形成激光的外部条件激光的产生必须具备的前提条件9.激光的产生激光的产生第22页/共105页23实现粒子数反转的过程称为泵浦(或抽运)常用的方法：光泵浦、放电泵浦、化学反应泵浦、重粒子泵浦、离子辐射泵浦形成激光的决定性条件当：当：才能形成激光振荡。才能形成激光振荡。阈值条件阈值条件激光振荡的阈值条件第23页/共105页24激光器的基本结构激光工作物质：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大激励能源：激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数光学谐振腔：光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收第2

15、4页/共105页25第二章 激光器的工作原理1.1.共轴球面腔的稳定性条件；P29P292.2.稳定腔、临界腔的概念；共焦腔、共心腔的概念；P30P303.3.小信号粒子数密度反转的概念及其影响因素;P34;P344.4.增益系数、小信号增益系数与线型函数关系;P36;P365.5.均匀增宽型介质的激光器工作时的增益饱和现象，产生增益饱和的原因，增益饱和与线型函数的关系;P37;P37第25页/共105页266.非均匀增宽型介质，一般情况下增益饱和产生粒子数非均匀增宽型介质，一般情况下增益饱和产生粒子数密度反转分布有烧孔效应，以及增益系数的烧孔效应的密度反转分布有烧孔效应，以及增益系数的烧孔效

16、应的原因原因;P427.非均匀增宽型介质激光器的对称烧孔现象非均匀增宽型介质激光器的对称烧孔现象;P438.激光器的损耗的分类，各种损耗产生的原因激光器的损耗的分类，各种损耗产生的原因;P449.激光器内形成稳定光强的过程，形成稳定光强的条件激光器内形成稳定光强的过程，形成稳定光强的条件;P4410.激光器出光的阈值条件，阈值与总损耗系数关系激光器出光的阈值条件，阈值与总损耗系数关系;P45第二章 激光器的工作原理第26页/共105页27光学谐振腔的三个作用：光学谐振腔的三个作用：倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度，倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度，控制光束传播方向，控制光束传播方向

17、，对激光进行选频。对激光进行选频。1.共轴球面腔的稳定性条件共轴球面腔的稳定性条件稳定腔条件为：稳定腔条件为：第27页/共105页282.速率方程速率方程速率方程理论：量子理论的简化形式。出发点是研究光子（量子化的辐射场）与物质原子的相互作用。它不涉及光与物质相互作用的力学过程，而是基于爱因斯坦的维象理论，建立起原子在各能级上的集居数密度在与光场相互作用过程中的变换速率方程，以及光场的光子数变化速率方程，用速率方程讨论激光器的特性。理论形式简单，可以给出激光的强度特性，并粗略地解释模式竞争、线宽极限等物理现象，但无法揭示光的色散以及由此引起的频率牵引等现象。第28页/共105页29速率方程组E

18、 E2 2能级在单位时间内增加的粒子数密度为单位时间内E E1 1能级上增加的粒子数密度为总粒子数为各能级上粒子数之和第29页/共105页30小信号粒子数密度反转：小信号粒子数密度反转：一般情况下的粒子数密度反转一般情况下的粒子数密度反转3.3.粒子数密度反转粒子数密度反转第30页/共105页31粒子数密度按照谐振腔内光波频率分布，与光强、饱和光强、中心频率、小信号粒子数密度反转有关。一般情况的粒子数密度反转分布就与抽运速率、能级寿命联系起来对于均匀增宽介质对于均匀增宽介质第31页/共105页32 粒子数密度反转分布值的饱和效应：粒子数密度反转分布值的饱和效应：当腔内光当腔内光强强I=0（即小

19、信号）时，粒子数反转分布（即小信号）时，粒子数反转分布 最大。当腔内光强的影响不能忽略时，最大。当腔内光强的影响不能忽略时，将随将随光强的增加而减小。光强的增加而减小。图2-6 n的饱和效应第32页/共105页334.均匀增宽介质的增益系数均匀增宽介质的增益系数小信号增益系数可以表示为：小信号增益系数可以表示为：说明小信号的说明小信号的G与光强无关，与光强无关，仅为频率的函数，且与线型函数仅为频率的函数，且与线型函数 有近似的变化规律。如图有近似的变化规律。如图2-7所所示。示。图2-7 均匀增宽型小讯号增益曲线第33页/共105页34均匀增宽型介质的增益饱和当光强为I、频率为 的准单色光进入

20、增益介质，其增益系数为增益饱和增益饱和：当入射光强增加到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。增益饱和的物理解释增益饱和的物理解释：介质中粒子数密度反转分布值因受激辐射的消耗而下降，进而使增益系数也同时下降，直到达到饱和光强，光放大过程停止。第34页/共105页35介质对频率为 、光强为I的光波的增益系数为饱和光强饱和光强I Is s是激光工作物质的光学性质，不同物质差别很大，它决定着腔内光强。氦氖激光器（632.8nm谱线）Is大约为0.3W/mm2氩离子激光器（514.5nm谱线）Is大约为7.0W/mm2纵向二氧化碳激光器（10.6微米谱线）Is大约为0.3W/m

21、m2 增益饱和现象可分为三种情况进行讨论增益饱和现象可分为三种情况进行讨论第35页/共105页36介质对频率为 、光强为I的光波的增益系数由于 与 相似,可表示为代入得第36页/共105页37均匀增宽型介质的增益饱和曲线如图均匀增宽型介质的增益饱和曲线如图2-8图图2-8当当光强对增益系数的影响几乎可以忽略。光强对增益系数的影响几乎可以忽略。增益系数：增益系数：第37页/共105页38强光作用下的增益介质对另一小信号的增益系数强光作用下的增益介质对另一小信号的增益系数此时介质对另一小讯号的增益系数也下降为在腔内传播着频率为 、强度为I的光波时，介质中E2上能级上的粒子数密度在I的激励下大大减少

22、为第38页/共105页39对于均匀增宽型介质来说，在光强对于均匀增宽型介质来说，在光强I的作用下，介质的的作用下，介质的光谱线型不变、线宽不变、增益系数随频率的分布也不光谱线型不变、线宽不变、增益系数随频率的分布也不变，它仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍变，它仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍数数第39页/共105页405.非均匀增宽型介质的对称烧孔线性非均匀增宽型介质的对称烧孔线性频率为频率为 、强度为、强度为I的光波仅在频的光波仅在频率率 附近宽度为附近宽度为 范围内的粒子有增益饱和作用，如图范围内的粒子有增益饱和作用，如图（）所示，增益系数在（）所示，增益系数在 处下降

23、的处下降的现象称为增益系数的现象称为增益系数的”烧孔烧孔”作用。作用。孔的宽度仍为：孔的宽度仍为：图（图（2.6.5）非均匀增宽型）非均匀增宽型增益饱和增益饱和但孔的深度浅了一些，在频率为 、强度为I的光波作用下，介质的增益系数 为：第40页/共105页41图（）非均匀增宽型激光图（）非均匀增宽型激光器中增益饱和器中增益饱和第41页/共105页426.形成稳定光强的条件形成稳定光强的条件7.阈值条件阈值条件阈值抽运功率为：阈值抽运功率为：第42页/共105页43第三章 激光器的输出特性1.1.自再现模概念；P50P502.2.激光器的模式，何为纵模何为横模，横模的表示方式;P51;P51，52

24、523.3.激光器的输出频率必须满足的三个条件;P53;P534.4.高斯光束的特征参量；P60P605.5.稳定球面腔中高斯光束特征参量的计算；P61,62P61,626.6.兰姆凹陷产生的原因，它与激光器中气体压力的关系？P68P68第43页/共105页441.自再现模p自再现模概念自再现模概念自再现模:稳态场经一次往返后，唯一的变化是，镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。这个稳定的横向场分布，就是激光谐振腔的自再现模。特点1：当反射次数足够多时（大约三百多次反射）光束的横向场分布便趋于稳定，分布不再受衍射的影响。特点2：场分布在腔内往返传播一次后能够“再现”

25、出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度分布。第44页/共105页图3-3 横模光斑示意图 用用TEMmnq来表示激光模式，来表示激光模式，TEM代表横电磁波代表横电磁波(transverse electro-magnetic wave)的简写，的简写，m、n分别代表在截面的分别代表在截面的x、y轴方向出现的节线数，为横模轴方向出现的节线数，为横模序数；序数；q代表在代表在z轴上出现的节线数，为纵模序数轴上出现的节线数，为纵模序数方形镜方形镜圆形镜圆形镜2.激光的模式第45页/共105页463.光学谐振腔谐振频率和激光纵模p 谐振条件、驻波和激光纵模谐振条件、驻波和激光纵模光波在腔内往返

26、一周的总相移应等于光波在腔内往返一周的总相移应等于2 的整数倍，即的整数倍，即只有某些特定频率的光才能满足谐振条件只有某些特定频率的光才能满足谐振条件 每个每个q值对应一个驻波，称之为：纵模，值对应一个驻波，称之为：纵模，q为纵模序数。为纵模序数。谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数。谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数。第46页/共105页47腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔4.激光器的输出频率必须满足的条件满足谐振条件满足谐振条件;满足阈值条件满足阈值条件落在工作物质原子荧光线宽范围内。落在工作物质原子荧光线宽范围内。第47页/共105页48

27、5 共焦腔镜面上的场分布（方形镜）图(3-5)的变化曲线及相应的光强分布 激光模式的符号：TEMmnq，TEM00是基横模。m、n的数值正好分别等于光强在x，y方向上的节线(光强为零的线)数目，而且m、n的数值越大，光场也越向外扩展。振幅分布振幅分布第48页/共105页49基横模基横模TEM00场分布为场分布为镜面上基模的镜面上基模的“光斑有效截面半径光斑有效截面半径”（2）相位分布:由于 为实函数共焦腔反射镜面本身构成光场的一个等相位面。（3）单程衍射损耗：，但是在讨论激光器单横模的选取时必须考虑单程衍射损耗 第49页/共105页50图(3-6)方形镜共焦腔的振荡频谱（4）单程相移与谐振频率

28、：）单程相移与谐振频率：共焦腔的共焦腔的频率间隔频率间隔共焦腔谐振频率的共焦腔谐振频率的简并性简并性：只要保证：只要保证2q+m+n+1）不变不变,对应的谐振频率是可以相同的对应的谐振频率是可以相同的.频率相等的模式频率相等的模式增益相同，导致多模振荡，使输出光束质量变坏。增益相同，导致多模振荡，使输出光束质量变坏。谐振频率谐振频率：第50页/共105页51纵模序数纵模序数q是决定谐振频率的主要成分是决定谐振频率的主要成分q表示光波在腔内往返一个来回所经历的振动次数。由于激光器谐振腔长是激光波长的104105倍，即q的数量级为104105。实际的激光振荡中m、n的数值都在10以内，即qm+n，

29、考虑到这一点后则有：对于圆形镜共焦腔：第51页/共105页526.高斯光束在特征参量高斯光束在特征参量束腰半径：束腰半径：等相位面的曲率半径：等相位面的曲率半径：光束的有效截面半径：光束的有效截面半径：镜面光束半径：镜面光束半径：远场发散角：远场发散角：第52页/共105页537.稳定球面腔中高斯光束特征参量在计算稳定球面腔中高斯光束特征参量在计算u 一般的稳定腔可以直接求解积分方程得到腔内外光一般的稳定腔可以直接求解积分方程得到腔内外光场分布函数，也可采用等价对称共焦腔方法，将对称共场分布函数，也可采用等价对称共焦腔方法，将对称共焦腔的结果推广到一般稳定球面腔。焦腔的结果推广到一般稳定球面腔

30、。稳定球面腔的等价共焦腔稳定球面腔的等价共焦腔对称共焦腔中，在场的任意一个等相位面处放置具有相应曲率的反射镜，不改变光场分布，因此任何一个对称共焦腔存在无 穷多个“等价”球面腔。反之，任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地与一个共焦腔等价。第53页/共105页54图图(3-10)球面腔的等价共焦腔球面腔的等价共焦腔假设双凹腔两镜面M1与M2的曲率半径分别为R1和R2，腔长为L，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为f。如图(3-10)所示。则有：第54页/共105页55等效共焦腔的束腰半径决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质。决定稳定球面腔输出基模光束的几乎全部性质。第55页/共105页56原

31、球面腔镜面的基横模光束有效截面半径 第56页/共105页57 上图为 输出功率曲线，其在中心频率处出现一个凹陷，称为“兰姆凹陷”虽然介质在中心频率处的小讯号增益系数比其他任何频率的小讯号增益系数大，但是激光器对0光波的输出功率要比它对0附近各频率光波的输出功率还要低。8.兰姆凹陷兰姆凹陷第57页/共105页58如何解释兰姆凹陷？如何解释兰姆凹陷？当当 时，时，输出功率输出功率P0当当 时，激光振荡将在增益曲线的时，激光振荡将在增益曲线的v2和和 处造成两个凹陷，激光功率处造成两个凹陷，激光功率P2正比于这两个凹陷面积之和。正比于这两个凹陷面积之和。第58页/共105页59当当 时，由于烧孔面积

32、增大，所以功率时，由于烧孔面积增大，所以功率P3比比P2大。大。当频率当频率vq接近接近v0时，两个烧孔部分重叠，烧孔面积可能小时，两个烧孔部分重叠，烧孔面积可能小于于 时两个烧孔面积的和，因此时两个烧孔面积的和，因此P+-+-+-+111111,11nnnnnnnnn第62页/共105页不再增加不再增加 下降至零，下降至零，即即 模熄灭模熄灭继续增加继续增加继续增加继续增加继续增加继续增加增益曲线降低到曲线1时：增益曲线继续下降：第63页/共105页不再增加不再增加下降至零下降至零继续增加继续增加达到稳定值达到稳定值继续增加继续增加均匀加宽激光器具有自选模作用均匀加宽激光器具有自选模作用增益

33、曲线降低到曲线3时：增益曲线继续下降：增益曲线降低到曲线2时：所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡第64页/共105页空间竞争空间竞争 在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，也可能有比较弱的其他纵模出现，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？如何解释？这种现这种现象称为模的象称为模的“空间竞争空间竞争”。当腔内形成纵模为当腔内形成纵模为q的强光振荡时，此时腔内形成的强光振荡时，此时腔内形成一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，只是平均增益

34、等于只是平均增益等于G阈阈，而在波节处增益比较高。因为，而在波节处增益比较高。因为其他纵模的波节和波腹与其他纵模的波节和波腹与q纵模不重合，所以这些纵模纵模不重合，所以这些纵模在波节处得到较高的增益，形成较在波节处得到较高的增益，形成较q纵模弱的振荡。纵模弱的振荡。第65页/共105页2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 在非均匀加宽激光器中，如果有多个纵模满足振荡条件，由于某一纵模光腔的增加只会消耗对应的激活粒子，不会使增益曲线整体下降，只会在增益曲线上形成烧孔，所以只要纵模间间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所有小信号增益系数大于振荡阈值增益的纵模都能够稳定振荡。当然，如果两个纵模的烧孔重合，

35、或者由于间隔过小而部分重合，则也同样会产生竞争现象。第66页/共105页3.稳频方法概述稳频方法概述 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，实现稳频。(1)被动式稳频被动式稳频(2)主动式稳频主动式稳频第67页/共105页 主动式稳频分为两类：一类是把激光

36、器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上。兰姆凹陷法稳频另一类方法是把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，这是目前水平最高的一种稳频方法。选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。饱和吸收法稳频第68页/共105页用兰姆凹陷法稳频用兰姆凹陷法稳频He-Ne激光器的谱线主要是非均匀增宽型的。非均匀增宽型的输出功率P随频率的变化曲线是钟形的，在中心频率0处出现兰姆凹陷。在0附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。因此，可以通过输出光强的监测，设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统。第69页/共105页用饱和吸收法稳频用饱和吸收

37、法稳频 饱和吸收法稳频的示意装置如图所示：激光谐振腔中除了激光管外，还加了一个吸收管。在吸收管内充以特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强的吸收线且吸收管内所充气体的气压很低。第70页/共105页由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。在吸收介质的吸收曲线上有一个吸收凹陷，如图所示，吸收凹陷产生的原因和兰姆凹陷产生的原因是类似的。对非均匀增宽谱线线型的介质，在吸收曲线的中心频率处，只有沿激光管轴方向的速度为0的原子才能吸收光子。偏离中心频率处的频率则有两部分原子参与吸收，所以在中心频率处会出现凹陷。这种现象称作“饱和吸收”。第71页

38、/共105页只有G()净0的那些频率才可能在整个腔内形成振荡。如果饱和吸收在整个多普勒宽度内，除了0附近的所有频率范围中都比激光增益大(如图)，则只有腔模调到0附近激光才能振荡。单程净增益：单程净增益：第72页/共105页734.高斯光束高斯光束 的变换的变换 透镜的变换应用到高斯光束上，如下图所示，有透镜的变换应用到高斯光束上，如下图所示，有以下关系以下关系图（图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换）高斯光束通过薄透镜的变换第73页/共105页前式是薄透镜假设：透镜足够薄至使入射高度和出射高度不变；实际问题中，通常 和 是已知的，可令 ，则根据高斯光束的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径

39、和有效截面半径，利用上述透镜的变换公式进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半径，因而可以确定变换后得到的出射高斯光束。第74页/共105页入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别用透镜公式计算出出射光束的波阵面半径和有效截面半径利用出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径计算出其束腰半径和束腰位置第75页/共105页5.调Q原理1.调Q技术的概念是在1961年提出来的，1962年就制成了第一台调Q激光器 3.调Q技术的基本思想:当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。当反转粒子数达到最大数量时

40、，突然降低激光器的阈值。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。2.回顾一下激光器的工作过程:产生激光的过程中阈值并不改变第76页/共105页控制反射损耗-机械转镜调Q、电光调Q技术控制吸收损耗-可饱和吸收染料调Q技术 控制衍射损耗-声光调Q技术 调Q方法:控制不同类型的损耗，就形成了不同的调Q技术 第77页/共105页6.6.锁模原理锁模原理（1）锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。（2）设腔内有）设腔内有q-N，-(N-

41、1)，0，(N-1)，N共共(2N+1)个模式，又设相邻模式的圆频率之差个模式，又设相邻模式的圆频率之差 ，则，则第78页/共105页（3）如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则 第79页/共105页（4）图4-30是2N+19个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。当 时，m=0，1，2光强最大 图4-30 锁模光强脉冲相邻脉冲峰值间的时间间隔 脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔 第80页/共105页81第六章 激光在精密测量中的应用1.激光干涉测长仪的原理；P1262.激光外差干涉测长技术；P1293.激光衍射测量原理;P133-1354.激光相位测距

42、原理，分散在直接测尺频率和集中的间接测尺频率;P142-1455.差频法测速（参考光束型和双散射型多普勒测速）；P150151第81页/共105页821 激光干涉测长 干涉测长的基本原理激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,如图6-16-1示,用干涉条纹来反映被测量的信息。图图6-1 激光干涉测长仪的原理图激光干涉测长仪的原理图第82页/共105页83p迈克尔逊干涉仪的工作原理原理：激光器发出的激光束到达半透半反射镜P P后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。当M M2 2沿光束2 2方向

43、上每移动半波长的长度，光束2 2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。第83页/共105页84这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计数器计数，并由显示和记录装置加以显示和记录。我们数器计数，并由显示和记录装置加以显示和记录。我们只要记下只要记下M2移动时干涉条纹变化的周期数移动时干涉条纹变化的周期数N就可以得到就可以得到被测长度被测长度(即即M2移动的距离移动的距离)。被测长度L通过运算和显示电路直接显示出来p迈克尔逊干涉仪的工作原理（续）第84页/共105页85p迈克尔逊干涉仪的基本误差分析如果我们不考虑计数

44、N N的误差，则由于波长的不稳定所造成的测长L L的相对误差为(前者是干涉测长系统的设计问题，后者是波长的相对误差)如果我们要求在一米长的范围内由于波长不稳定所引起的测量误差小于0.10.1 m m，则要求激光波长的稳定度为需采用稳频技术第85页/共105页862 激光外差干涉测长技术直流干涉仪：干涉条纹变化频率与动镜的运动速度有关，动镜从静止运动静止；干涉条纹变化频率从0 0 最大值0 0；光强转化的直流信号的频率变化范围也从0 0开始，需用直流放大器。缺点：外界环境干扰能力差，只能在恒温防震条件下使用。外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，干涉仪能够

45、采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。第86页/共105页87载波信号产生方法：载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的两束光干涉会产生两束光干涉会产生“光学拍光学拍”现象，转化为电现象，转化为电信号得到差频信号。（光外差干涉）信号得到差频信号。（光外差干涉）在干涉仪的参考臂中对参考光束进行调制，与在干涉仪的参考臂中对参考光束进行调制，与测量臂的光干涉直接生成载波信号。（准外差测量臂的光干涉直接生成载波信号。（准外差干涉）干涉）第87页/共105页88p双频激光外差干涉仪其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分

46、裂成有一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2图6-6 双频激光干涉仪光路图第88页/共105页89 测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为 测量镜的位移量可由下式计算测量镜的位移量可由下式计算图6-6 双频激光干涉仪光路图 注意事项注意事项 P132第89页/共105页903 激光衍射测量原理图6-9 衍射测量原理图单缝衍射测量的基本公式:当被测物体尺寸改变时，相当于狭缝尺寸改变，衍射条纹的位置也随之改变,可得 第90页/共105页91p 圆孔衍射测量图（6-106-10）表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为中心亮斑(即第一暗

47、环)的直径为图6-10 圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图第91页/共105页924 激光测距脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法测距精度大多为米的量级相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用第92页/共105页93脉冲测距u激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示图图6-18 激光脉冲测距仪的简化结构激光脉冲测距仪的简化结构第93页/共105页94u相位测距原理相位测距:是对发射

48、的激光强度进行连续的调制，测定它在待测距离d d上往返的相位变化，从而间接测量传播时间t t，进而测量距离激光相位测距激光相位测距分散在直接测尺与集中在间接测尺的比较分散在直接测尺与集中在间接测尺的比较第94页/共105页955差频法测速可分为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。第95页/共105页96p参考光束型多普勒测速图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为第96页/共105页97p双散射光束型多普勒测速

49、双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图6-33所示为干涉条纹型。第97页/共105页第第8章章 激光在医学中的应用激光在医学中的应用1.生物体的光学特性。生物体的光学特性。P193-1942.激光对生物体的作用。激光对生物体的作用。P1953.激光对生物体应用的优点。激光对生物体应用的优点。P1964.光动力学治疗原理。光动力学治疗原理。P202第98页/共105页生物体与光的各种相互作用的示意图 1.生物体的光学特性组织的光学参数：吸收系数:0.1cm-1散射系数:100cm-1各向异性g因子折射率:1.4组织是一种高散射浑浊介质

50、!第99页/共105页由图可知，在7001500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系 第100页/共105页2.激光对生物体的作用1.激光照射于生物组织时，因其波长、强度、工作方式、曝光时间等参数的不同，可以表现出不同的生物学作用：u热效应组织吸收光以后，光能转化为热能，使局部温度升高。多用于手术治疗及非手术治疗。u机械效应多用于泌尿道或胆道结石的粉碎上。采用脉冲激光，使结石表面有非常高的能量密度，最后将结石碎裂。u光化学作用当光子给予生物大分子的能量，大于断开其弱键所需的能量时，就会发生化学反应。光化学反应时基于一种选择性