光電技術(shù)激光原理與技術(shù)課件

1、第三章 激光原理與技術(shù)本章主要內(nèi)容第四節(jié) 激光產(chǎn)生的條件第三節(jié) 激光產(chǎn)生的原理第二節(jié) 熱輻射及黑體輻射第一節(jié) 光源第五節(jié) 激光器的基本結(jié)構(gòu)第六節(jié) 激光器的輸出第七節(jié) 激光的種類第四節(jié) 激光產(chǎn)生的條件1.光 源光源分為非相干光源和相干光源非相干光源：照明光源（白熾燈、熒光燈等），顯示光源（陰極射線管、液晶顯示器、等離子體顯示器等），其他（太陽等）相干光源(激光)氣體激光器、固體激光器、染料激光器等等。1、光源非相干光源1.1 非相干光源照明光源顯示光源其它光源1、光源相干光源1.1 非相干光源的特點(diǎn)非相干光:傳播方向、頻率、相位都是不統(tǒng)一的非相干光源的特點(diǎn)：由原子或分子體系的自發(fā)輻射的光脈沖集合

2、而成光波。這些光脈沖的傳播方向、頻率和相位都是不確定的。1、光源相干光源1.2 相干光源（激光）氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器1、光源相干光源1.2 相干光源的特點(diǎn)相干光:傳播方向、頻率、相位都是統(tǒng)一的激光主要特性：光波的傳播方向、相位和頻率在時(shí)間、空間上都是同一的。具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特點(diǎn)。1、光源激光1.4 激光的發(fā)明1917年愛因斯坦提出受激輻射理論，奠定了激光的理論基礎(chǔ)1954年美國人湯斯研制成功微波激射器1958年美國人肖洛和湯斯，蘇聯(lián)人巴索夫和普洛霍夫同時(shí)提出激光振蕩的具體設(shè)想1960年美國人梅曼發(fā)明了紅寶石激光器1、光源激光的發(fā)明湯斯愛因斯坦肖洛

3、梅曼世界上第一臺紅寶石激光器1、光源激光的發(fā)明表1 我國各類激光器的“第一臺”1、光源激光1.5 激光對科學(xué)技術(shù)的影響激光光譜學(xué)非線性光學(xué)信息光學(xué)1.6 激光的應(yīng)用航天工程激光通信激光武器2、熱輻射及黑體輻射2.1 熱輻射任何溫度高于0K以上的物體都發(fā)射各種波長的電磁波。這種由于物體受到熱激發(fā)而產(chǎn)生的輻射稱為熱輻射，所輻射的能量稱為輻射能。輻射能量以及輻射能按波長的分布都與溫度有關(guān)：隨物體溫度的升高總輻射能逐漸增加隨物體溫度的升高輻射能量逐漸向短波部分分布任何物體向周圍發(fā)射輻射能的同時(shí)，也吸收周圍物體輻射的輻射能2、熱輻射及黑體輻射熱輻射的基本概念單色輻射出射度M(,T)如果從物體表面單位面積

4、上所發(fā)射的、波長在和+d范圍內(nèi)的輻射功率為dM，那么dM與波長d間隔的比值稱為單色輻射出射度，單位是單位是Wm-3輻射出射度M(T)從物體表面單位面積上所發(fā)射的各種波長的總輻射功率稱為輻射出射度，單位是Wm-2。輻射出射度與單色輻射出射度的關(guān)系:2、熱輻射及黑體輻射吸收比(T)吸收的能量和入射總能量的比值稱為吸收比反射比(T)反射的能量和入射總能量的比值稱為反射比物體的吸收比和反射比隨物體的溫度和入射輻射能的波長有關(guān)物體在溫度T時(shí)，對于波長在和+d范圍內(nèi)的輻射能的單色吸收比(,T)和單色反射比 (,T) 2、熱輻射及黑體輻射2.2 絕對黑體模型在任何溫度下，若物體都能把照射在其上的任何波長的輻

5、射都能完全吸收的物體，稱為絕對黑體，簡稱黑體用不透明材料制成的開一小孔的等溫空腔作為黑體模型從等溫封閉空腔小孔發(fā)出的輻射模擬黑體輻射絕對黑體模型2、熱輻射及黑體輻射2.4 黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)裝置2、熱輻射及黑體輻射2.3 基爾霍夫定律定律內(nèi)容：在同樣的溫度下，任何物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度定律表達(dá)式：其中，MB(,T)為單色輻射出射度，(,T)為單色吸收比2、熱輻射及黑體輻射2.5 黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果斯忒藩-波爾茲曼定律：維恩位移定律：式中，為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)， =5.67010-8W/(m2K4)式中，b為維恩常

6、數(shù)， b=2.89810-3mK黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果2、熱輻射及黑體輻射2.6 黑體輻射理論模型維恩公式：瑞利-金斯公式：維恩公式與黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線在短波段符合較好，但是在長波段產(chǎn)生偏離瑞利-金斯公式與黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線長波段符合較好，但是在短波段誤差很大理論與實(shí)驗(yàn)相比較2、熱輻射及黑體輻射2.7 普朗克公式普朗克的量子假說： 輻射黑體是由帶電的諧振子組成 以頻率為振動的諧振子只能取、 2、 3這樣分立的能量值 = h， h為普朗克常數(shù)， 為振動頻率 諧振子輻射電磁波并和周圍的電磁場交換能量 諧振子與輻射場交換能量時(shí)，只能是某個(gè)基本單元的整數(shù)倍，而且是一份一份的按不連續(xù)的方式進(jìn)行2、熱輻射及黑體輻射

7、普朗克公式式中，c是光速；k=1.38110-23J/K是玻耳茲曼常數(shù)，e是自然對數(shù)的底，h=6.62610-34Js為普朗克常數(shù)。當(dāng)很小時(shí)， ，普朗克公式維恩公式當(dāng)很小時(shí)， ，普朗克公式瑞利-金斯公式2、熱輻射及黑體輻射3. 激光產(chǎn)生的原理3.1 玻爾假設(shè)定態(tài)假設(shè)原子中存在具有確定能量的定態(tài)，在這些定 態(tài)中，電子繞核運(yùn)動不輻射也不吸收電磁能量；原子定態(tài)能量是不連續(xù)的，是量子化的，只能取某些分立數(shù)值E1,E2,En；原子各定態(tài)的能量值稱為原子能級，最低的能級稱為基態(tài)，高于基態(tài)的能級稱為激發(fā)態(tài)；3. 激光產(chǎn)生的原理躍遷假設(shè)只有當(dāng)原子從具有較高能量En的定態(tài)躍遷到較低能級Em的定態(tài)時(shí)，才能發(fā)射一個(gè)

8、能量為h的光子，其頻率滿足反之，原子在較低能量Em的定態(tài)，吸收一個(gè)能量為h 、頻率為的光子，躍遷到較高能量En的定態(tài) 式中，h為普朗克常數(shù)原子模型3. 激光產(chǎn)生的原理3.2 激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)激光的產(chǎn)生是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果光與物質(zhì)的相互作用的三種基本過程受激吸收、自發(fā)輻射、受激吸收在普朗克于1900年用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及波爾在1913年提出原子中電子運(yùn)動狀態(tài)量子化假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，并在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極為重要的概念：受激輻射和自發(fā)輻射。3. 光與物質(zhì)的相互作用受激吸收受激吸收的物理過程(1) 受激吸收處于低

9、能級E1上的原子，受到頻率為12、能量為h12 = E2 E1的入射光子的激勵(lì)下，有可能吸收一個(gè)能量為h的光子而躍遷到相應(yīng)的高能級E2上，此過程稱為受激吸收3. 光與物質(zhì)的相互作用受激吸收受激吸收愛因斯坦系數(shù)受激吸收概率定義式受激吸收概率不僅與原子本身有關(guān)，還與輻射場能量密度()有關(guān)，即式中，(dN21)sp表示單位體積內(nèi)由受激吸收引起的由能級E1向能級E2躍遷的原子數(shù)，N1表示躍遷前E1能級上的原子數(shù)密度式中，B12是受激吸收愛因斯坦系數(shù)，()是頻率為的入射輻射場能量密度3. 光與物質(zhì)的相互作用自發(fā)輻射自發(fā)輻射的物理過程(2) 自發(fā)輻射處于高能級E2上的原子是不穩(wěn)定的，即使在沒有任何外界作用

10、的情況下，也會自發(fā)地躍遷到低能級E1上，同時(shí)輻射出一個(gè)頻率為21、能量為h21的光子，這種過程稱為光的自發(fā)輻射3. 光與物質(zhì)的相互作用自發(fā)輻射自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)A21自發(fā)輻射概率定義式自發(fā)輻射是一種只與原子特性有關(guān)而與外界輻射場無關(guān)的過程，因此自發(fā)輻射概率A21又稱為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)式中，(dN21)sp表示單位體積內(nèi)由自發(fā)躍遷引起的由能級E2向能級E1躍遷的原子數(shù)，N2表示躍遷前E2能級上的原子數(shù)密度3. 光與物質(zhì)的相互作用自發(fā)輻射自發(fā)輻射壽命定義式物理含義：能級E2上的原子數(shù)密度減少到它的初始值1/e所需的時(shí)間說明：自發(fā)輻射是一個(gè)不受外界輻射場影響的隨機(jī)過程，處于高能級的各個(gè)原子隨時(shí)

11、地、獨(dú)立地向低能級自發(fā)躍遷，所發(fā)射的光子形成一個(gè)個(gè)頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向均彼此無關(guān)的波列，其輻射光是非相干光3. 光與物質(zhì)的相互作用受激輻射受激輻射(3) 受激輻射處于E2能級上的原子，在受到頻率為21、能量為h21 = E2 - E1的入射光子的激勵(lì)下，有可能從所處的E2能級受激躍遷到E1能級，并在躍遷過程中，輻射一個(gè)與激勵(lì)光子同狀態(tài)的光子，這種過程稱為受激輻射 3. 光與物質(zhì)的相互作用受激輻射受激輻射愛因斯坦系數(shù)B21受激輻射概率定義式受激輻射概率不僅與原子特定能級躍遷機(jī)構(gòu)有關(guān)，而且還與入射輻射場有關(guān)，即式中，(dN21)st表示單位體積內(nèi)由受激躍遷引起的由能級E2向能級E1躍遷的原

12、子數(shù)，N2表示E2能級上的原子數(shù)密度式中，B21是受激輻射愛因斯坦系數(shù)，(21)是頻率為21的入射光能量密度3. 光與物質(zhì)的相互作用受激輻射說明：受激輻射與自發(fā)輻射不同，由于受激輻射所產(chǎn)生光子與入射光子處于同一狀態(tài)，即，受激發(fā)射光子與入射光子同頻率、同相位、同偏振態(tài)、同傳播方向，因而受激輻射光是相干光受激輻射與受激吸收互為逆過程，兩者同時(shí)發(fā)生，同時(shí)存在3. 激光產(chǎn)生的原理愛因斯坦關(guān)系三種躍遷過程是同時(shí)存在的，并且這三種過程不是各自孤立的，而是有著某種內(nèi)在的聯(lián)系，這表現(xiàn)在A21、B21、B12三系數(shù)的關(guān)系上愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ) 3. 激光產(chǎn)生的原理愛因斯坦關(guān)系說明A

13、21、B12、B21三個(gè)愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的在熱平衡狀態(tài)下，受激吸收和受激輻射的概率相等，即W12= W21自發(fā)輻射系數(shù)A21與受激輻射系數(shù)B21之比正比于頻率21的三次方，因此E2E1差值越大， 21就越高，則自發(fā)輻射越容易，受激輻射就也困難一般情況下，在熱平衡條件下，自發(fā)輻射占壓倒的優(yōu)勢，受激輻射是微乎其微3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬單位體積內(nèi)原子自發(fā)躍遷所發(fā)射的功率或光強(qiáng)自發(fā)輻射所釋放的光譜線是單色的，也就是說輻射的全部能量集中與單一的頻率以上的推理都是基于能級理想無寬度這一假設(shè)下進(jìn)行的事實(shí)上，由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并非單色的，而是分布在中心頻率0附近一個(gè)有限的頻率范圍內(nèi)，這

14、一現(xiàn)象稱為光譜線展寬3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬在考慮譜線展寬的情況下，自發(fā)輻射功率成為頻率的函數(shù)，即I()總的自發(fā)輻射功率為光譜線的線型函數(shù)光譜線的線型函數(shù)3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬均勻展寬均勻展寬的特點(diǎn) 引起加寬的物理因素對每個(gè)原子都是等同的，每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某個(gè)特定頻率與某些特定原子聯(lián)系起來，或者說，每個(gè)發(fā)光原子對譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)均勻展寬的類型自然展寬碰撞展寬熱振動展寬3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬均勻展寬自然加寬原因：原子在激發(fā)態(tài)上的有限壽命3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬均勻展寬碰撞加寬原因：大量原子(分子、離子)之間的無規(guī)“碰撞”3. 激光

15、產(chǎn)生的原理光譜線展寬均勻展寬熱振動展寬由于晶格原子的熱振動，鑲嵌在晶體里的激活離子處在隨時(shí)間變化的晶格場中,導(dǎo)致其能級位置在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化從而引起譜線加寬晶格熱振動對所有發(fā)光離子的影響是相同的,屬均勻加寬。晶格振動加寬是固體工作物質(zhì)主要均勻加寬因素3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬非均勻展寬非均勻展寬的特點(diǎn)原子體系中每個(gè)原子只對譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，可以區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪部分原子發(fā)射的非均勻展寬的類型多普勒展寬殘余應(yīng)力展寬 3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬非均勻展寬多普勒展寬熱運(yùn)功的發(fā)光原子所發(fā)出的輻射的多普勒頻移引起的。不同速率的原子感受到的因而發(fā)射的光波的頻率

16、就不同。由于原子按照速率有一定分布，則發(fā)光的頻率也有一定分布3. 激光產(chǎn)生的原理光譜線展寬非均勻展寬殘余應(yīng)力展寬晶格缺陷 (如位錯(cuò)、空位等晶體不均勻性)將使晶格缺陷部位的晶格場與無缺陷部位的理想晶格場不同，使缺陷部位的激活離子的能級發(fā)生位移，這就導(dǎo)致處于晶體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件產(chǎn)生激光的兩個(gè)必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布減少振蕩模式數(shù)形成穩(wěn)定輸出的兩個(gè)充分條件起振條件（閾值條件）穩(wěn)定振蕩條件（增益飽和效應(yīng)）4. 激光產(chǎn)生的條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射受激吸收使入射光強(qiáng)增加使入射光強(qiáng)減弱4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

17、入射光能量密度的變化粒子正常分布:粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布:“下多上少”“上多下少”4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布處于“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”狀態(tài)的物質(zhì)為“激活介質(zhì)”要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，需要一個(gè)將低能級上的粒子抽運(yùn)到高能級上，這個(gè)機(jī)構(gòu)稱為“泵浦源” 受激輻射占主導(dǎo)地位受激輻射相干光4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件必要條件：減少振蕩模式數(shù)方向性很好、單色性很好的相干光必要的原因 在介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級之間由受激輻射產(chǎn)生的光可以沿各個(gè)不同的方向，很難形成極強(qiáng)的光束 由于激活介質(zhì)中，存在多個(gè)激發(fā)態(tài)。由激發(fā)輻射產(chǎn)生的光可以有很多頻率，很難形成單色性很好的光 4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件必要條件

18、：減少振蕩模式數(shù) “開放式光學(xué)諧振腔”把激活介質(zhì)放在鏡面相對的一對平面反射鏡之間，這兩塊反射鏡相互平行，反射率分別為R1=1、R21法布里珀羅腔4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件光學(xué)諧振腔的作用頻率篩選能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求波能因干涉而得到加強(qiáng)，發(fā)生相長干涉的條件是滿足相長干涉條件的光波頻率：4. 激光產(chǎn)生的條件必要條件光學(xué)諧振腔的作用在諧振腔軸線方向，可以形成光強(qiáng)最強(qiáng)、模式數(shù)目最少的激光振蕩4. 激光產(chǎn)生的條件充分條件激光產(chǎn)生的充分條件閾值條件光放大一段激活物質(zhì)就是一個(gè)光放大器 光損耗(1) 幾何偏折損耗(2) 衍射損耗(3) 腔鏡反射不完全引起的損耗(4) 材料中的非激活吸收、散射4. 激光

19、產(chǎn)生的條件充分條件激光產(chǎn)生的充分條件閾值條件光的增益超過光的損耗時(shí)，光波才能被放大光束單程增益諧振腔兩鏡面分別由反射率R1、R2，透過率T1、T2，鏡面其他損耗1、2，式中， 為單程增益，即光束經(jīng)過激活介質(zhì)一次所得的放大倍數(shù)4. 激光產(chǎn)生的條件充分條件激光產(chǎn)生的充分條件閾值條件光束在腔內(nèi)往返一次強(qiáng)度變化 4. 激光產(chǎn)生的條件充分條件激光產(chǎn)生的充分條件閾值條件如果 ，無法形成激光振蕩如果 ，形成有效激光振蕩激光振蕩必須滿足的最起碼條件為 激光振蕩的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值公式 4. 激光產(chǎn)生的條件充分條件穩(wěn)定振蕩條件增益飽和效應(yīng) 激光的強(qiáng)度將隨傳播距離增加的變化情況 4. 激光產(chǎn)生的條件充分條件穩(wěn)定振蕩條

20、件增益飽和效應(yīng) 當(dāng)入射光強(qiáng)足夠弱時(shí)，增益系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)而當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，增益系數(shù)(G)將隨光強(qiáng)的增大而減小5. 激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)提供形成激光的能級機(jī)構(gòu)體系，是激光產(chǎn)生的內(nèi)因泵浦源提供形成激光的能量激勵(lì)，是激光形成的外因光學(xué)諧振腔為激光起提供反饋放大機(jī)構(gòu)，是受激發(fā)射的強(qiáng)度、方向性、單色性近一步提高5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)二能級系統(tǒng) E2能級是激發(fā)態(tài)E1能級是基態(tài)5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)三能級系統(tǒng)E3能級是激發(fā)態(tài)E2能級是亞穩(wěn)態(tài)E1能級是基態(tài)E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 E15. 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)四

21、能級系統(tǒng)E4能級是激發(fā)態(tài)E3能級是亞穩(wěn)態(tài)E2能級留不住粒子E1能級是基態(tài)E3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 E35. 激光器的基本結(jié)構(gòu)泵浦源泵浦及泵浦源把粒子從低能級抽運(yùn)到高能級以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的過程稱為泵浦把粒子從低能級抽運(yùn)到高能級的裝置稱為泵浦源激光器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器，即將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)泵浦源泵浦的方法光激勵(lì)方式：用一束強(qiáng)光或激光直接照射工作物質(zhì)來完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)氣體輝光放電或高頻放電方式：用氣體放電中快速電子直接轟擊或共振能量來完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)直接電子注入方式：直接電子注入來完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)化學(xué)反應(yīng)方式：通過化學(xué)反應(yīng)釋放的能量完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)

22、諧振腔光學(xué)諧振腔 穩(wěn)定腔和非穩(wěn)定腔光線在共軸球面腔中的往返傳播5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔 式中， ， ，r1、r2是兩個(gè)球面鏡的曲率半徑，L是它們的間距 穩(wěn)定腔的特點(diǎn)：傍軸光線能在腔內(nèi)往返任意多次而不致橫向逸出腔外 非穩(wěn)定腔的特點(diǎn)：傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)有限次往返后必然從側(cè)面逸出腔外 5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔5. 激光器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔6. 激光器的輸出輸出模式激光器的輸出是由許多獨(dú)立的頻率分量組成模式是指腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式1) 有確定的頻率；2) 振幅在空間的相對分布是確定的不隨時(shí)間而改變；3) 相位在空間的相對分布是確定的不隨時(shí)間而改變。通常將諧振腔產(chǎn)

23、生的模式分為兩類：“縱模”和“橫?！?. 激光器的輸出輸出模式“縱模”與“橫?！笨v模彼此間的差異僅在于它們具有不同的振蕩頻率 橫模彼此間的差異除了具有不同的振蕩頻率之外，而且在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)，光場的分布也不同6. 激光器的輸出輸出模式振蕩模式TEMmnqm，n，q可分別取0，1，2，等整數(shù)TEM表示“橫向電磁波”m和n表示該模式在垂直于腔內(nèi)平面內(nèi)的振幅分布情況，稱“橫模階數(shù)”q表示該模式在光腔軸向形成的駐波節(jié)點(diǎn)數(shù)，稱“縱模階數(shù)”一組確定的m，n，q對應(yīng)于一種模式6. 激光器的輸出輸出模式縱模 滿足共振條件的電磁波頻率相鄰兩縱模間的頻率間隔在增益曲線線寬范圍內(nèi)的頻率才能形成實(shí)際的振蕩實(shí)

24、際振蕩模數(shù) 6. 激光器的輸出輸出模式激光腔縱模振蕩模式 6. 激光器的輸出輸出模式橫模 諧振腔內(nèi)橫向光場分布稱為橫模m，n 直角坐標(biāo)系m和n的數(shù)值分別是該模式在x軸和y軸的節(jié)點(diǎn)數(shù)在柱坐標(biāo)系m和n分別為徑向和旋轉(zhuǎn)角向的節(jié)點(diǎn)數(shù)m和n的數(shù)值越大，模的階數(shù)就越高6. 激光器的輸出輸出模式6. 激光器的輸出高斯光束高斯光束激光輸出的具有高斯強(qiáng)度分布的光束稱為“基?！被騎EM00模高斯光束光場振幅分布：稱為光束半徑或光斑尺寸，而將2稱為光束直徑 6. 激光器的輸出高斯光束光斑尺寸高斯光束輪廓線 6. 激光器的輸出高斯光束高斯光束和平面波光束的發(fā)散角高斯光束發(fā)散角 平面波光束發(fā)散角6. 激光器的輸出激光的

25、特點(diǎn)方向性激光器發(fā)出的激光束發(fā)散角()和在空間所張的立體角()很小單色性 由于激光的發(fā)光頻率是受激光躍遷所決定的，僅有極小的線寬 亮度由于激光器在時(shí)間(單色性)和空間(方向性)方面的高度集中，因而具有極高的亮度 6. 激光器的輸出激光的特點(diǎn)相干性時(shí)間相干性 時(shí)間相干性是指同一光源在不大于相干時(shí)間的兩個(gè)不同時(shí)刻發(fā)生的光在空間某處交會能產(chǎn)生干涉的性質(zhì)相干時(shí)間：相干時(shí)間是表征時(shí)間相干性的參量，它的物理意義是在空間某處同一光源在時(shí)間間隔處于相干時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)刻發(fā)生的光都是相干的 6. 激光器的輸出激光的特點(diǎn)相干性空間相干性 空間相干性是指同一時(shí)刻，處于某給定光波的同一波面上不同兩點(diǎn)之間波長的相干性 對

26、于普通光源，產(chǎn)生干涉的條件對于激光器，不放置雙縫也可以觀測到干涉現(xiàn)象，因而，激光具有極好的空間相干性 7.激光器的種類 按功率分類超大功率、大功率、中功率、小功率激光器按輸出激光連續(xù)性狀況分類連續(xù)激光器、脈沖激光器等按泵浦方式分類光泵浦激光器、電泵浦激光器等按激光工作物質(zhì)的類型分類氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等 7.激光器的種類氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)的激光器稱為氣體激光器大多數(shù)氣體激光器能連續(xù)工作一般采用氣體放電中的電子碰撞來激發(fā)。 自從1961年首次報(bào)道研制成氦氖激光器以來，相繼出現(xiàn)各種原子、離子、分子、準(zhǔn)分子型氣體激光器7.激光器的種類氣體激光器氣體激光器的特點(diǎn) 工作物質(zhì)均勻一

27、致 譜線范圍寬即能連續(xù)又能脈沖工作，效率高 與半導(dǎo)體、固體激光器相比較，氣體激光器的氣體或蒸汽的粒子密度較低，一般來說氣體激光器的體積較大，不容易做到大能量的脈沖輸出 7.激光器的種類氣體激光器He-Ne激光器7.激光器的種類固體激光器固體激光器通常是指以絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器激光工作物質(zhì)是摻入少量的過渡金屬離子或稀土離子的晶體或玻璃典型的固體激光器由紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器、鈦藍(lán)寶石激光器 7.激光器的種類固體激光器固體激光器的主要特征 運(yùn)行方式多樣能實(shí)現(xiàn)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的固體工作物質(zhì)多達(dá)數(shù)百種，其激光譜線達(dá)數(shù)千條固體激光器導(dǎo)光系統(tǒng)簡單，制作容易固體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、

28、價(jià)格適宜7.激光器的種類固體激光器固體激光器的基本結(jié)構(gòu)固體激光器由工作物質(zhì)、泵浦源、聚光腔、光學(xué)諧振腔、冷卻濾光及激光電源等主要部分組成工作物質(zhì)是激光器的核心，它由摻雜離子型電介質(zhì)晶體與玻璃材料加工而成泵浦源為工作物質(zhì)中粒子反轉(zhuǎn)提供光能。常用的泵浦源有惰性氣體放電、金屬蒸汽燈、鎢絲燈、太陽能及二極管激光器7.激光器的種類固體激光器聚光腔的作用是將泵浦源輻射的光能有效均勻的匯聚至工作物質(zhì)上，以獲得高的泵浦效率諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡組成，是激光器的重要部分冷卻與濾光系統(tǒng)的作用是防止聚光腔及內(nèi)部元件溫升過高，并減小泵浦燈中紫外輻射對工作物質(zhì)的有害影響 7.激光器的種類固體激光器紅寶石激光器激光

29、工作物質(zhì)是紅寶石(摻有少量Cr2O3的Al2O3的人工晶體)輸出波長為694.3nm的三能級系統(tǒng)激光器 Nd:YAG激光器工作物質(zhì)是YAG(Y3AL5O12)和以雜質(zhì)形式出現(xiàn)的稀土金屬離子Nd3+輸出波長1.06m的四能級系統(tǒng)7.激光器的種類半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)的理論基礎(chǔ)早在1953年美國的馮紐曼在他一篇未發(fā)表的論文手稿中第一論述了在半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的可能性。1958年蘇聯(lián)的巴索夫首次公開發(fā)表文章提出半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理論論述。1960年貝爾實(shí)驗(yàn)室的布萊和湯姆遜提出了用半導(dǎo)體的平行解離面作為產(chǎn)生光反饋的諧振腔。1961年蘇聯(lián)的巴索夫最先公開發(fā)表將載流子注入半導(dǎo)體PN結(jié)中實(shí)現(xiàn)“注入激光器的論述”，并論述了在PN結(jié)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的可能性。7.激光器的種類半導(dǎo)體激光器1961年伯納德和度拉富格利用準(zhǔn)費(fèi)米能級的概念推導(dǎo)出了半導(dǎo)體有源介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。1962年后期美國四個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)宣布研制成功GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。1963年巴索夫研制成GaAs PN結(jié)半導(dǎo)體激光器。1967年用液相外延的方