关于激光的原理及技术基础课件

(2)光速 c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数 1
T
(4)三者的关系
在真空中
c l0
各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同
υcυl(ll0)
折射率始终大于1？
自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率近似 等于1； 负折射率材料：当介电常数<0，磁导率<0时，折射率n=()1/2，小于零（人造材料，2000年后）
光子
➢ 在真空中一个光子的能量 h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
➢
光子的具有运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 h l l P m c n 0cn 0n 0 2 n 0 2k
➢光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分 子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。
的，即满足相干系的光波场振动是相干的。
相干截面S相干的定义
S相干 D相干2பைடு நூலகம்l2
其物理含义：在整个光束截面内的任意两点间具有完全确定相位关 系的光场振动完全相干。
发散角的测量： ①打靶法②套孔法③圆环法 等等
L
/2
D
f
D
激光器 /2
f
图1.1 打靶法测量发散角示意图
二． 单色性和时间相干性（不同时间发射光束的相干态）
关于激光的原理及技术基础
第一章 激光原理及技术基础
§1.1 激光的特点 §1.2 激光的产生 §1.3 激光器的基本组成 §1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件 §1.5 激光振荡模式 §1.6 光腔的损耗和激光振荡的阈值条件
光的波粒二象性
波动性：传播过程 ➢ 具有频率、波长、偏振
粒子性：光与物质相互作用 ➢ 具有能量、动量、运动质量
系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想
像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。因为一
般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像
就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一
个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这
样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨
率越低。这个限制是物理光学的限制，是光的
衍射造成的。 L 1
1km外，光斑直径扩至10m； 单模激光器： 经发射望远镜的光束孔径为1m，平面发散角10-6rad,传
输至1000km，光斑直径扩至几米。
§1.1 激光的特点
一． 高方向性和空间相干性
方向性：束径和束散角的概念
单模束径指最大能量密度Pmax的 1/e2输出点的光束直径d 。
多模束径指最大能量密度1/2处
光波是电磁波 ➢ 振动的电场； ➢ 振动的磁场
l
光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称 作光矢量
光的波粒二象性
光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振方向有 时随时间变化
y
Ey
E
(1)线偏振光
x Ex
(2)自然光
传播方向 z
光速、频率和波长三者的关系
(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。
激光光束三大特点的物理基础
三. 高亮度和光子简并度
单色亮度值B
B定义：单位截面、单位频带、单位立体角内的辐射光功率，
单位:瓦/平方厘米·球面度· 赫兹。
B
P
S
太阳辐射： B 2 .6 1 0 12 W / ( c m 2 s r H z ) 气体激光器： B 1 0 2 ~ 1 0 2 W / ( c m 2 s r H z ) 固体激光器： B 1 0 ~ 1 0 3 W / ( c m 2 s r H z ) 大功率激光器： B 1 0 4 ~ 1 0 7 W / ( c m 2 s r H z )
单色性程度： l/l106
进行精密干涉测量时，最大量程不超过1m，测量误差为1微米。
l 激光光源： 单模稳频He-Ne激光，中心波长： 632.8nm
谱线宽度： l1012m
ll 单色性程度 ： / 1 0 1 0~ 1 0 1 3
进行精密干涉测量时，最大量程扩展到1000km，测量误差小
于 102 ~101m。
三． 通常以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光相干时间，单色
性量度用 或 l 表征。
l
激光相干时间τ相干和谱线宽度关系：
相
干＝
1
纵向相干长度L相干：
L相干 c相干 ＝c
物理意义：在小于和等于此值的空间延时范围内，被延时的光波和后
续光波应当是完全相干的。
普通光源：氪同位素86（Kr86）灯，中心波长为 l60.75nm； 谱线宽度： l0.47106m
简并度：
在物理学中，简并是指被当作同一较粗糙物理状态的两个或多个不同 的较精细物理状态。例如在量子力学中，原子中的电子，由其能量确定的 同一能级状态，可以有两种不同自旋量子数的状态，该能级状态是两种不 同的自旋状态的简并态。
具有相同能量的粒子可以处在不同的量子态（即不同的波函数），即 每一个能级上可能有若干个不同的量子状态存在，反映在光谱上就是代表 某一能级的谱线常常由好几条非常接近的精细谱线所组成。
§1.1 激光的特点
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，通过 受激发射的放大光。Laser翻译成激光由1964年钱学森指定。
高方向性（高定向性）、高单色性、高亮度性 辐射度——高亮度； 统计物理——高光子简并度； 电磁波谱——极强的紫外、可见光或红外相干辐射，具有波长可调谐。 定向聚光反射镜的探照灯： 发射孔径1m，平面发散角10rad，传输至
最大直径d。
P P max
e -2P m ax
x d
束散角θ (弧度rad) ：
令出口附近的束径为d1，传 输一段距离后的束径为d2时，
定义束散角为：
d1 d2
L
近似情况下，激光器输出的平
d1
d2
Laser
L
面发散角θ等于光束的衍射角
θ衍
衍
1.22
l
D
光束的立体发散角：
衍
(
l )2
D
衍射极限：衍射极限是指一个理想点物经光学
L2
R
S
光源
f
障碍物
E
接收屏
空间相干性（不同空间位置的光源之间的相干状态） 空间相干性指同一时刻空间两点光波场的相干性。由杨氏双缝 干涉实验来定性解释。
空间相干性又称横向相干性，由横向相干长度D相干来表征：
D相干＝
l
其中，λ为光波长，θ为平面发散角
D相干的物理含义为激光束平面上距离为范围内的各个点之间是相干