激光的单色性和时间相干性
激光的单色性和时间相干性_图文
当2l逐渐增大时，可以看到屏 上的明暗条纹逐渐模糊起来
当2l增大到一定程度时，屏上 的明暗条纹将模糊到完全分不清 了。即观察不到干涉现象。
当狭缝宽度2l较大时，应分别 考虑从下分中央s0到至边缘各点 各自发出的光线。
每一点发出的光都会在屏幕上因干涉形成一套明暗条纹 如果各套明暗条纹相互错开，将由于相互重叠以至于变成模 糊一片，即观察不到干涉现象。
相干长度和相干时间
进一步讨论最大光程差max的物理意义
在迈克尔逊干涉仪中，当光程差一旦超过max，这两光
束就不再相干了
因此，max也称为相干长度，记为max=Lc 光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，记c
因为
则
表明，光谱线的频率宽度越窄，相干时间就越长
在迈克尔孙干涉仪中，两束光线的光程差为，这相当于两 光束是由同一光源在不同时刻t1和t2先后发出的
将
改写为
并记
则有
（本教材直接给出的条件）
如果记
由于2很小，有
代入
得
此式表明，入射光一定时
若张角2=d/R固定，则狭缝宽度2l必小于/2，才能在屏处
观察到干涉条纹
若缝宽2l固定，则张角2必小于/2l，才能在屏处观察到干
涉条纹
光的这种相干性，称为空间相干性
相干面积
当满足 在屏上才能产生干涉条纹 将该装置绕z轴旋转90，实验结果不变
激光的单色性和时间相干性_图文.ppt
光谱线的频率宽度
越窄，光的单色性就越好 普通光源中，氪同位素86（Kr86）灯发出波长=605.7nm的 光谱线的单色性最好 单模稳频氦氖激光器发出=632.8nm的光谱线 二、激光的时间相干性 若同一光源在不同时刻发出的光在空间会合后能发生干涉，
激光的基本原理及其特性
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿 单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
激光的单色性和时间相干性
2l
2
2 R 2
As
As 光源面积
在周炳坤激光原理教材中
s1
x
Lx
z
xL x R
Ac L2 x
x As 2 只有从光源面积小于 发出的光，才能保证在 内的光 线具有相干性 2 c3 c 2 光源的相干体积Vcs Vcs As Lc 2
c 则 cc
Lc c
cc
c
c 1
表明，光谱线的频率宽度越窄，相干时间就越长 在迈克尔孙干涉仪中，两束光线的光程差为，这相当于两 光束是由同一光源在不同时刻t1和t2先后发出的 若 Lc，则 t2 - t1 c ，这两束光就是相干的。 所以，由同一个光源在相干时间c内不同时刻发出的光，经 过不同的路程相遇，将能产生干涉。 光的这种相干性，称为时间相干性
由于01比0多了一个恒定的光程差，所以从这两点发出的 光在屏上的条纹相互错开
屏
P
01 0
s01 2l s 0 s02
s1
d
ld R
可以看出，当满足
ld R 2
s2
R D
这两套条纹才不至于明暗重叠 换句话说，当狭缝的宽度2l曾大到 R 时，屏上将变成一片模糊
2l d
2
R
s2
x
R
Lx
Lx
2
R
x
2 R 2
2
2 R 2
As
光子观点 Px Py P h
h xyz Px Py Pz
激光技术与应用复习知识点
激光技术与应⽤复习知识点1、激光的定义激光是由受激发射的光放⼤产⽣的辐射。
2、激光的基本特性单⾊性，⽅向性，相⼲性，⾼亮度。
3、空间相⼲性与时间相⼲性波在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在⼀定空间范围内的光波才有相对固定的位相差，使得只有⼀定空间内的光波才是相⼲的。
这种特性叫做波的空间相⼲性。
与波传播时间差有关的，由不确定的位相差导致的，只有传播时间差在⼀定范围内的波才具有相对固定的位相差从⽽相⼲的特性叫波的时间相⼲性。
4、光⼦简并度光⼦属于波⾊⼦，⼤量光⼦集合遵从波⾊-爱因斯坦统计规律，处于同态的光⼦数不受限制。
虽然处于同⼀光⼦态的光⼦数并⾮严格的不随时间的变化，但其平均光⼦数是可以确定的。
这种处于同⼀光⼦态的平均光⼦数成为光⼦简并度。
5、激光器的基本组成及其应⽤激光器⼀般包括三个部分。
激光器的基本结构由⼯作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。
激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的⼀门综合技术，传统上看，它的研究范围⼀般可分为：激光焊接，激光切割，激光治疗，激光打标，激光打孔，激光热处理，激光快速成型，激光涂敷等。
6、⾃发辐射处于激发态的原⼦中，电⼦在激发态能级上只能停留⼀段很短的时间，就⾃发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出⼀个光⼦，这种辐射叫做⾃发辐射。
7、受激辐射在组成物质的原⼦中，有不同数量的粒⼦（电⼦）分布在不同的能级上，在⾼能级上的粒⼦受到某种光⼦的激发，会从⾼能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，⽽且在某种状态下，能出现⼀个弱光激发出⼀个强光的现象。
8、受激吸收处于低能级的原⼦(l E )，受到外来光⼦的激励下，在满⾜能量恰好等于低、⾼两能级之差(E ?)时，该原⼦就吸收这部分能量，跃迁到⾼能级(h E )，即h l E E E ?=-。
受激吸收与受激辐射是互逆的过程。
9、激光产⽣的必要条件受激幅射是产⽣激光的⾸要条件，也是必要条件。
激光基本概述范文
激光基本概述范文激光是一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是一种能产生激光的装置，通常由激发源、增益介质和光腔三部分组成。
激光由于其特殊的性质，在科研、医疗、通信、材料加工等多个领域有着广泛的应用。
激光的单色性是指激光具有极窄的频率谱线，一般能够达到很高的频率稳定性。
这是由于激光的产生依赖于特定的能级跃迁，因此能够产生具有固定频率的光波。
与其他光源相比，激光的单色性使得其具有更强的穿透力和辨识能力。
激光的相干性是指激光光束中的光波具有非常好的相位关系。
这种相位关系使得激光光束能够形成明亮、锐利、高对比度的干涉条纹。
相干性使得激光在干涉、衍射和散射等方面有着独特的应用，例如激光干涉测量和激光全息术等。
激光的方向性是指激光光束能够在相当长的距离上保持较小的光束发散角度。
这是由于激光的光波具有在空间上高度一致的波前形状，能够通过适当设计的光学系统将光束聚焦成较小的点。
激光的方向性使得其在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
气体激光器利用气体放电产生激发能级，再通过受激辐射过程产生激光。
常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
固体激光器利用固体增益介质，通过光泵浦方式产生激发能级，再进行受激辐射过程得到激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、激光二极管等。
半导体激光器是利用半导体材料的特殊性质产生激光，这类激光器尺寸小、功耗低，广泛应用于光通信和激光打印等领域。
激光的应用十分广泛，其中激光切割是一种主要的激光材料加工方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割和雕刻领域。
激光打印技术利用激光的单色性和方向性，可以高速、高质量地实现文件和图像的打印。
此外，激光还在医疗领域有着广泛的应用，例如激光治疗和激光手术等。
总之，激光作为一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同有气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
激光特性
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1 单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。
而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。
此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
2 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。
激光为我们提供了最好的相干光源。
正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3 方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。
而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。
另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。
4 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。
激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。
利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。
切换到宽屏19362超声波探伤编辑超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
激光基本特征
激光基本特征激光是指一束高度聚焦、具有单色性、相干性和高亮度等特征的光束。
激光是由处于激发态的原子或分子释放出来的光子所组成的。
激光的基本特征是指激光独特的性质和行为，下面将从以下几个方面详细介绍激光的基本特征。
1. 单色性激光的单色性指激光所产生的光是单一频率的。
激光的单色性由于激发态原子或分子之间的能级结构和产生激光的物质的特性所决定。
激光所具有的单色性使其在科学研究、医学、通信等领域具有广泛的应用。
2. 相干性激光的相干性是指激光光波中光子的相位关系保持一致的特性。
激光光束的相干性使其具有干涉、衍射等特性。
激光的相干性能够保持光束的集中性，使得激光在远距离传输时损失较小，有助于激光的聚焦和精确测量。
3. 高亮度激光的高亮度是指激光的亮度远远高于其他光源。
激光的高亮度是由于激光所具有的高度聚焦特性和聚光能力优秀的光学系统所决定的。
高亮度的激光在医学、材料加工和军事等领域有着广泛的应用。
4. 窄束性激光的窄束性是指激光光束的直径非常小。
与其他光源相比，激光光束的直径可以达到亚微米甚至更小的级别。
激光的窄束性使得激光光束能够在远距离传输时保持高度集中，从而实现高精度的光学操作。
5. 高能量激光所具有的高能量使得其在科学研究、医学治疗和军事应用等领域展现出巨大的潜力。
激光的高能量是由于激发态原子或分子释放出的光子具有高能量特性所决定的。
高能量的激光在材料切割、焊接、打孔等领域具有重要的应用价值。
总之，激光的基本特征是单色性、相干性、高亮度、窄束性和高能量。
这些特征使得激光在科学研究、医学、工业生产等领域发挥着重要的作用。
随着激光技术的不断发展壮大，激光领域的应用将会更加广泛。
激光的原理与特点
激光的原理与特点
激光，是指具有高度一致的光波振荡特性的一种光束。
激光的原理是通过三级系统（包括基态、激发态和亚稳态）之间的电磁辐射相互作用而产生的。
具体来说，激光的原理包括光放大、光共振、正反馈等。
激光的特点主要有以下几个方面：
1. 高度的单色性：激光的频率非常纯净，只有极少的频率成分，因此它具有非常高的单色性。
这是由于激光光波是由一个频率极为准确的谐振振荡系统所产生的。
2. 高度的方向性：激光光束具有非常高的方向性，激光光束在传播过程中很少发生散射，能够以非常窄的角度进行定向传播。
这是由于激光的振荡介质是一个长而细的谐振腔。
3. 高度的相干性：激光光束具有非常高的相干性，所有的光波的振幅和相位都高度一致。
这是由于激光光波是由许多同样频率和相位的原子或分子发射的。
4. 高度的能量密度：激光光束具有非常高的能量密度，能够集中大量的能量在一个很小的空间范围内。
由于激光的强度非常大，因此它可以用来进行高精度的切割、焊接等工业加工。
总之，激光作为一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性、相干性和能量密度，这些特点使得激光被广泛应用于科学、医学、工业等多个领域。
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下面做定量分析计算
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
R
D
屏 P
只分别考虑从中央s0和边缘处 s01各自发出的光线在P点的光程差
0S2PS1P
0 1 S 0 S 2 1 S 2 P S 0 S 1 1 S 1 P
激光的单色性和时间相干性
一、（激）光的单色性 同一原子从E2跃迁至E1，发出频率为的光 实际上，光谱线总有一定的频率宽度 这是由于原子能级总有一定的宽度引起的
E2 E1
h
图示为一条光谱线的光强按频率的分布
I ( )
在不同的频率d内，光强是不同的，
用g()表示这种分布，则
I()dI0g()d
I0
2
若是理想单色光 M2移动半个波长，屏幕光强交替变化一次
当光谱线有一定宽度时（），会有什么影响呢？
考虑从 到 的每一波长的情况 画出边缘两波长2的光在屏幕出2的亮度随光程差的变化情况
2
2
当光程差达到某个数值max时，
波长为
2
的第K+1个强度峰值与波长为
个强度峰值将重叠在一起
在本教材中
x
s1 Lx
xLx
R
z
Ac L2x
2R 2 x 2
2R 2 As
s2 R
x R
Lx
Lx R
x2 As 2
只有从光源面积小于 2 发出的光，才能保证在 内的光
线具有相干性
光源的相干体积Vcs
VcsAsLc
2
c
c3
2
2
光子观点 PxPyP h
xyz h3 PxPyPz
2l s 0 s02
s1
d
s2
R
D
屏
P
当2l逐渐增大时，可以看到屏
上的明暗条纹逐渐模糊起来
当2l增大到一定程度时，屏上 的明暗条纹将模糊到完全分不清 了。即观察不到干涉现象。
当狭缝宽度2l较大时，应分别 考虑从下分中央s0到至边缘各点 各自发出的光线。
每一点发出的光都会在屏幕上因干涉形成一套明暗条纹
S0S 12S0S 1 10
由几何关系，有
S01S2 2
R2dl2 2
S01S1 2
R2dl2 2
二式相减，得 S 0 S 2 2 1 S 0 S 1 2 1 S 0 S 2 1 S 0 S 1 1 S 0 S 2 1 S 0 S 1 1
所以
S01S2S01S1lRd
2
的第K
从此以后，光程差再增加屏幕处则不能观察到合成强度的明暗 交替现象了。
因此，波长宽度为的光能够在屏幕形成合成强度明暗交
替的条件是： ma xK1 2 K 2
max 称为最大光程差
因为 由上式得
K
max
2
max
2
可见，光谱线波长一定时，其越窄，max越长
2 R S 0 S 2 1 S 0 S 1 1 2ld
即
0
10
ld R
由于01比0多了一个恒定的光程差，所以从这两点发出的
光在屏上的条纹相互错开
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
屏 P
0
10
ld R
可以看出，当满足 ld
R2
这两套条纹才不至于明暗重叠
换句话说，当狭缝的宽度2l曾大到
R
D
I()d
0
0I0g()dI0
g()d
0
所以g()应满足
0 g()d 1
g()是以频率为横坐标，光的相对强度为纵坐标，来描述光 谱线的，成为光谱线的线型函数
光谱线的频率宽度
g( )
g( 0 )
1 2
g
(
0
)
21
c
d c d 2
d d
d d
1 0 2
, 越窄，光的单色性就越好
普通光源中，氪同位素86（Kr86）灯发出波长=605.7nm的
得
2 l2
此式表明，入射光一定时
若张角2=d/R固定，则狭缝宽度2l必小于/2，才能在屏处
观察到干涉条纹
若缝宽2l固定，则张角2必小于/2l，才能在屏处观察到干
涉条纹
光的这种相干性，称为空间相干性
相干面积
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
屏 P
0
10
ld R
ld R2
当满足
z
d R
2l
在屏上才能产生干涉条纹
将该装置绕z轴旋转90，实验结果不变
R
D
可引入相干面积Ac
Ac d2
2R 2
2l 2
2R 2 As
As 光源面积
由光源面积As内各点所发出的光，经过与光源相距R后，并于光
源垂直的两点，如果这两点在Ac内，则通过这两点的光是想干的
光的空间相干性：指的是垂直光传播方向的截面上的空间相干 性，是由相干面积来描述的
c
h3
h
2
h
c c
Pz P
Pz
h
c
c3
2
2
光源的相干体积Vcs
VcsAsLc
2
c
c3
22
xyz h3 PxPyPz
h
h3
2
h
c c
c3
2
2
相格的空间体积和光源的相干体积相等 --------属于同一光子态的光子是相干的
（1）相格的空间体积、光波模或光子态所占有的空间体积，都等 于相干体积
过不同的路程相遇，将能产生干涉。Biblioteka 光的这种相干性，称为时间相干性
三、激光的空间相干性
从面积为A的光源发出的，并且通过与光源相距R且与传播 方向垂直的面上相距不超过d的两点的光，在空间再度会合时， 如能发生干涉，则称空间这两点的光具有空间相干性
屏
A d
s1
P
s
d
s2
R
讨论狭缝宽度对干涉的影响
s 01
对Kr86 0.000n4m7 60.75 nm max有限
对HeNe Laser 10 8nm 63.82 nmmax达数公里
相干长度和相干时间
进一步讨论最大光程差max的物理意义
在迈克尔逊干涉仪中，当光程差一旦超过max，这两光
束就不再相干了
因此，max也称为相干长度，记为max=Lc
光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，记c
（2）同一状态的光子、或是同一模式的光波是相干的
光子简并度 n 同态光子的数目
-------同一模式内的光子数，相干体积内的光子数，同一相格 内的光子数
光谱线的单色性最好 0.000n4m7
单模稳频氦氖激光器发出=632.8nm的光谱线 10 8nm
二、激光的时间相干性
若同一光源在不同时刻发出的光在空间会合后能发生干涉，
则称这两部分光具有时间相干性，这两时刻之差c称相干时间
结合迈克尔逊干涉仪分析
M2 反射镜 1 M1
单 色
G1 G2
光
源
M2
反 射 镜
c
Lc c
因为 maxLc cc 2
则
cc
c
cc
c
c 1
表明，光谱线的频率宽度越窄，相干时间就越长
在迈克尔孙干涉仪中，两束光线的光程差为，这相当于两 光束是由同一光源在不同时刻t1和t2先后发出的
若 Lc，则 t2 - t1 c ，这两束光就是相干的。
所以，由同一个光源在相干时间c内不同时刻发出的光，经
2l R 时，屏上将变成一片模糊
d
将 ld
R2
s1
x
改写为 2ld
R
并记 2lx d Lx
则有 xLx
Lx
R
z
（本教材直接给出的条件）
s2 R
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
R
D
屏 P
0
10
ld R
ld R2
如果记 s1s0s22
由于2很小，有
2 d l
代入 ld
R2