激光原理与激光技术-完整第8章
差分
外部饱和吸收稳频把吸收气体室与激光器完全分离，简化了试验装置， （避免吸收气体插入激光腔造成的不利影响）。同时消除了多普勒增宽对
谱线的影响，可以实现高精度的稳频。
基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分
i p =I=E 2 =[E1 (1 )+E 2 ( 2 )]2
对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。
（３）有足够的信噪比。
（４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
§ 8.２ 稳频方法介绍
一、兰姆凹陷稳频 特点：装置比较简单，主要用于气体激光器，频率稳定度为 109 量级。
缺点：复现性（109 量级）差（激光管充气压力的差别及使用过程中的气压
定激光频率。
但是上述方法有缺陷： 因为有可能同一频率激光本 身在强度上有波动，这样反
馈信号就不准确。于等
Pound 等人在此基础上提出 了基于F-P腔反射光强的办 法。 F-P腔的反射特性
如左图，我们通过对激光频率 加一微小的调制，就可以通过反射 光强的变化推断激光频率是偏大还 是偏小。
将腔的频率锁定到激光频率 上装置示意图（图中实线代表 光，虚线代表电信号）
我们可以通过将反射光信号 Pref (, 2) 与调制的振荡信 号 sin(t ) 混频，结果只有反射光信号的 Ω项混频后能产生直 流项，通过低通滤波器，提取出直流项，而里面恰好包含了误 差信号。 因为：
1 cos(t ) cos(t ) {cos[( )t ] cos[( )t ]} 2
当 即低调制频率时，
为纯实数，则只有余弦项存在
当
即高调制频率时，则只有正弦项存在
无论Ω大还是小，我们都是通过
来判断激光频率。
Ω小时：
相位调制光束的瞬时频率：
因反射光功率 有： （泰勒展开）
进一步通过定量模型表达出所圈部分：
令：
误差信号：
误差信号
Ω大时：
推导可得误差信号为：
其中：
误差信号
5.提取误差信号
第八章 稳频技术
§ 8.1 概述
激光具有良好的单色性和相干性，在许多应用场合，如：精密计量、 光通信、光频标、高分辨率光谱学，不仅要求激光具有单频的特性，而且 要求激光频率本身稳定。普通自由运转激光器，受工作环境条件影响，输 出频率往往是不稳定的，要想提高其稳定性，就必须采用稳频技术。 一、频率的稳定性和复现性 频率的稳定度：
二、定量理解模型
1.腔对单频激光的反射 F-P腔腔前入射光场： 对于两镜参数对称的F-P腔， 在与入射光场同一点的整
个腔的反射光场：
)-1) fsr E ref = E inc 1 r 2 exp(i ) fsr
r(exp(i
定义腔的反射系数：
长 L 的腔的自由光谱区 为一复数
三、激光器主动稳频的方法
实质是保持谐振腔光程长度的稳定性。主动稳频：选取一个稳定的频率参
考标准，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，采用光电子伺服系统鉴别出来
并自动调节腔长，使激光频率回复到特定的标准频率上，达到稳频目的。 主动稳频方法大致可分为两类： 1. 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法； 2. 利用外界参考频率作为鉴别器进行稳频，如饱和吸收稳频。
F-P腔的反射信号中，包括两种频率成分： 和 2
，经过和调制
本地信号混频后，利用低通滤波器滤掉高频成分（拍频信号），只保留直流 或低频的信号（远小于 Ω） ，从而把直流信号从其它项中选取出来。 优点： １．同其他稳频方法相比，Ｐ－Ｄ－Ｈ方法不需要在激光频率上加一低 频扰动，从而稳频后，激光器频率原则上严格等于F-P腔共振频率。而其它方 法，如利用 F-P腔的幅度特性稳频的方法，即使严格稳频后，激光器的频率上
F-P腔的反射系数的 强度随激光频率的变化
F-P腔的反射系数的 相位随激光频率的变化
由前面两图可见：在共振处，入射光与反射光相位相差 1800 ，由此 导致腔的反射光强为0。
当激光的频率稍微偏离共振频率时，就会有反射光，通过间接测量反射 光的相位，我们即可判断激光频率偏大或偏小。 2.测量反射光的相位 如何测量反射光的相位呢？我们可以通过调制激光的频率（或相位）， 就会产生与入射光及反射光有固定相位关系的边带，若我们将边带
由于光频极高， 10 14 H z ，一般光电测量仪器无法响应到这么高的
频率，同时一般电子仪器也无法将这么高的频率显示出来。因此，直接测量 频率的稳定度目前是很困难的。目前采用的办法是利用拍频的办法进行相对
测量：将两列光波混频，差频信号的频率为无线电射频级，目前的光电探测
器及频谱分析仪均可产生响应。 一、拍频的原理
LASER 1
频率计
LASER 2
两激光器的光（电）场分别为：
E1 ( 1 )=A c1 cos(2 1t) E 2 ( 2 )=A c2 cos(2 2 t)
当两光场传播方向平行且重合时，发生干涉：
E =E1 (1 )+E 2 ( 2 )
光电探测器的输出正比于光强（电场的平方）：
始终存在一个
t 的小扰动。
２．与利用 F-P腔的幅度特性稳频的方法相比，边带稳频锁定的带宽要大 得多，前者为F-P腔的线宽，约为ＭＨｚ量级，后者为２Ω，可达上百ＭＨｚ。
Pound–Drever–Hall 稳频原理
一、定性理解模型 F-P腔只允许与其共振的频
率的光通过（如右图）。
当激光的频率精确地等于某 个共振频率时，激光能全部透过 F-P腔，如果激光的频率稍微偏 离某个共振频率，则激光只有一 部分能透过F-P腔。这样，由于 频率的微小变化引起了透射光强 的变化（而光强的变化是可探测 到的），我们就可以通过探测光 强得到与频率偏差相联系的信号 并将其反馈作用到激光器上以稳 F-P腔的透射特性
可密封）。
3.机械振动 外部环境中的各种机械振动会导致腔长的振动。 克服措施：防震措施(气垫平台，密封)
4.磁场 地磁场及激光器周围电子仪器产生的磁场会引起腔体上殷钢材料的磁 致伸缩，从而引起腔长变化。 克服措施：磁屏蔽 试验证明：采用被动稳频办法，CO2 激光器的长期频率稳定度可达 107 量级，要进一步提高稳定度，就要采取主动稳频措施。
G( )
激光管增益曲线
a( )
0
吸收管吸收曲线
激光管
吸收管
P
0
激光管输出功率曲线
0
三、以F-P腔的幅度特性构成稳频系统 电源 LD 控温 振荡器 锁相放大
放大
校正网络
该方案采用F-P共焦干涉仪作为频率基准。稳频后可使激光器的短期稳 定性小于F-P共焦干涉仪的线宽之内，但F-P腔腔长的改变会引起激光器的频
变化导致的压力频移）。
Pout
B
调制信号
C
D
C
D
0 0
0
兰姆凹陷稳频原理
B
光电探测 选频放大
0
整流
调制升压
直流放大
相敏检波
音频振荡 装置示意图
选频放大器——只对特定的某一频率 f 通过。 相敏机检波器——将选频放大后的信号电压与参考信号电压进行相位比较。 同相位，相敏输出的直流电压为正，反之为负。且直流电压大小正比于光 电接收的激光功率的变化幅度。 二、饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频） 兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
与反射光相干涉，就会产生拍频信号（调制频率），而我们能够测量拍频
信号的相位。 3.调制激光产生边带
调制后：
展开成
入射总功率：
载频功率： 每个边带功率： 当 时，
4.反射的调制光：误差信号
总的反射光场：
我们只对Ω相关项感兴趣， 因为它们能反映反射光的 相位。
上式（3.3）中， Ω项包含正弦和余弦项，
相位匹配 相位不匹配
上述三式中，当 时，前两式有直流项，而第三式直流 项为0（不能产生误差信号）。 又因为： 相位不匹配
sin(t ) 调制信号为：
故我们必须引入移相器使两路信号相位匹配（如下图）。
，
Pref (, 2) 只取Ω项相连 的误差信号
§ 8.３ 稳率稳定性及复现性测量
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一
个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
m c ( m c ) m m c c
通常情况下有： m ? c ，上式可简化为：
c ( m c )
要取决于谐振腔谐振频率的稳定性。
c m
一般情况下，第二部分的频率牵引很小，因此，激光频率的稳定性主
q
Sv ( )
( )
定义：在一定的观测时间 内频率的平均值 与该时间内频率的变化量 之比。有时也把其倒数作为稳定度的量度。
Sv ( )
1
( )
（可见光波段
如稳定度为
108
8 14 表示为 ( ) 10 ; 10
）， ( ) 106 Hz 。 频率或波长随时间的变化，既表现为短期的抖动又表现为长期的漂移。 因此观测时间不同测量结果不同。所以通常在稳定度后面标明取样时间。 频率复现性：
激光原理与技术实验报告.doc
激光原理与技术实验报告.doc概述激光技术是一种应用广泛、发展迅速的新技术，在工业、医学、通讯等领域都有着广泛的应用。
本实验旨在了解激光的基本原理，掌握激光器的构造和激光束的生成与测量方法，以及掌握激光的一些基本特性和应用。
实验原理激光是指具有高度纯度、单色性好、方向性和相干性极强的光，其产生和放大是通过受激辐射过程完成的。
具体来说，激光器的工作原理是通过激发介质内的原子或分子，使其受激辐射，在辅助的反射镜的作用下，从而在激光器中形成一束具有极强方向性和相干性的激光。
实验装置实验装置如图所示，主要由He-Ne激光器、反射镜组、光路组件和功率测量仪等组成。
其中，He-Ne激光器是实验的主体部分，可产生波长为632.8nm的激光。
反射镜组是用来控制和调整激光束传输方向、聚焦和扩展等方面的效果。
光路组件包括凸透镜、切向波片、偏振片等，主要用来调整、过滤和分析激光束的偏振状态、强度和相位，以及产生不同的波长和形状的激光束。
功率测量仪主要用来测量激光束的功率、光密度和曲率等参数。
实验步骤1. 准备工作：检查实验装置的连接和安全，确认激光幽灵系统处于正常工作状态，注意保护眼睛。
2. 初步调整：用反射镜组将激光束从He-Ne激光器中传输到实验台上的观测屏幕上，调整反射镜组的位置和角度，以便获得尽可能高的反射率和强度。
3. 改变激光束的偏振状态：加入偏振片，以控制激光束的偏振状态和方向，观察不同偏振状态的激光束在屏幕上的反映情况，了解激光束的偏振特性。
4. 产生不同波长的激光束：加入切向波片和凸透镜组件，改变激光束的相位和波长，观察不同波长激光束在观察屏幕上的差异，掌握不同波长激光束的产生和调制方法。
5. 测量激光束的功率和强度：用功率测量仪测量激光束的功率和光密度等参数，掌握不同位置和距离的激光束的功率和强度变化情况，应用激光干涉和相位空间法等技术分析和处理激光束。
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
激光原理与技术
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。
半导体激光器的方向性最差。
衍射极限θm≈1.22λD(λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。
单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。
激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。
相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C∆V 来表示相干时间。
自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2−E1的光子，这个过程称为自发跃迁。
自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21dt ）sp1n2=−1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2−E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2−E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21dt ）st1n2=−1n2dn2dt。
受激辐射跃迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为h v21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。
受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt ）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。
(完整版)激光倍频技术原理
ne (mI正 ) no2
1 no2 2
1
ne
(
I m正
)
2
cos
2
I m正
no 2
sin
2
I m正
ne 2
arcsin
(no )2 (no )2
(no2 )2 (ne )2
1/ 2
<2>正单轴晶体II 类 o e o2
E(2,
2
z)
ei(2tk2 z)
c.c.
E(, z, t) E(, z) ei(tkz) c.c.
2
Q dE(2, z) E2 (, z)ei(2k k2 )zdz
E(2, L) L dE(2, z) E2 ()eikL/2L sin(kL / 2)
就属于双轴晶体。双轴晶体的折射率曲面是双层双叶曲面，不再以Z
轴为光轴，Z轴是两个光轴的角平分线，折射率也不仅是 的函数，
也是 的函数
在双轴晶体中非光轴方向，中存在着两个相互正交的光电场 、 , 分别对应着双层双叶曲面的两个曲面E ' n'(,) 和 E '' n''(,) ，同样可 以利用角度匹配的方法，也分为I类（平行式）和II类（正交式）匹 配，即：
10
§8.3角度匹配方法
负单轴晶体的角度匹配
<1>负单轴晶体I类 no ne
基频光取o光偏振态，倍频光选e光偏振态 o o e2
要求no ne2
1
no
ne2
最新激光原理-激光技术教学讲义ppt
图21.1. -73 Q开关激光脉冲建立过程
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质 存储的能量在极短的时间
设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，
且有关系式： ν3=3ν1，
ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
若相位未锁定，则此三个不
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无 规 律
E0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图， 由于破坏性的干涉叠加，所
可以推得总光强：
N 2
E
2 m
该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每
个脉冲的宽度 约为：
1
q
假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率
正比于
N
2
E
2 0
，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。
每个脉冲的宽度
窄的锁模脉冲。
1 1 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到
N q
二、锁模的基本原理 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2π νi t+ i ) i=1,2,3
21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速宽带海量的光通信以及网络通信并将引发一场照明技术革命小巧可靠寿命长节能半导体led发光将主导市场此外将推出品种繁多的光电子消费类产品如vcddvd数码相机新型彩电掌上电脑电子产品智能手机手持音响播放设备摄影投影和成像办公自动化光电设备如激光打印传真和复印等以及新型的信息显示技术产品如crtlcd及pdpfedoel平板显示器等并进入人们的日常生活中
激光原理
激光窃听器激光窃听器，就是用激光发生器产生的一束极细的红外激光，射到被窃听房间的玻璃上，当房间里有人谈话的时候，玻璃因受室内声音变化的影响而发生轻微的振动，从玻璃上反射回来的激光包含了室内声波振动信息．人们在室外一定的位置上，用专门的接收器接收，就能解调出声音信号，用耳机监听室内人的谈话，由于激光本质上是一种频率极纯、极高的电磁波，加上其方向性好，照射和反射的能量集中，所以解调并不困难．解调反射激光的基本原理与收音机收听广播的原理是相似的．激光窃听法的最大优点是，不需要在窃听的房间里安装任何窃听器就可以实现窃听．由于激光窃听法对激光的发射点、接收和被窃听点的位置关系要求很严格，以及易受到外界环境的干扰，很容易影响激光窃听的效果．现在有人设想，用易于穿透玻璃的某种频率的激光，瞄准房间里的一件物品照射，用其反射的激光来达到窃听的目的．因为这些物体只随室内的声波振动，而不受外界噪声的干扰及玻璃是否振动的影响，窃听到的谈话声可能就比较清晰了，从而提高激光窃听的效能．它是以激光作为被窃听语音信息传输载体的窃听器，用于对无法安装窃听器的房间进行窃听。
激光分为可见的和不可见的两种，其中可见的激光是不适用于窃听的，由于不可见的激光其光谱频率都在红光的波段以外，所以又把它们称之为红外激光。
当激光光束在光滑平整的物体表面被反射时，只要该物体自身具有极微弱的振动，它就会对被反射的激光产生出足以能进行探测的变化。
若用一束激光对准窗玻璃进行照射，其中的一部分将会穿过玻璃而另一部分则会被反射回来。
如果这时的玻璃因受到室内人讲话声波的作用而有微小的振动，那末被反射的激光也必定会受到这种振动的调制。
只要将其接收并进行解调，就可以得到与室内人说话声音相同的波形，从而窃听到室内的讲话内容。
这就是激光窃听器的工作原理。
它的优点是临场感强，像是在目标的窗外或隔壁一样。
许多国家的谍报机关已将这一技术应用于对外国大使馆，领事馆等外事机构的窃听。
《激光原理》PPT课件
2024/1/28
28
前沿动态及发展趋势预测
超快激光技术
实现飞秒、皮秒级超短脉冲输出，用 于精密加工、生物医学等领域。
高功率激光技术
发展高能量、高效率的激光器，应用 于国防、能源等领域。
2024/1/28
激光显示技术
利用激光作为光源的显示技术，具有 色域广、亮度高等优点，是未来显示 技术的重要发展方向。
概述光纤激光器的工作原理、 优势及在通信、传感等领域的 应用前景。
其他典型固体激光器
简要介绍其他类型的固体激光 器，如半导体激光器、拉曼激
光器等。
10
03
气体激光器原理与技术
2024/1/28
11
气体放电过程及发光机制
01
02
03
气体放电基本概念
电子与气体原子或分子碰 撞，引发电离和激发过程 ，产生带电粒子和光子。
液体染料激光器技术特点பைடு நூலகம்
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
16
半导体材料发光机制及器件结构
2024/1/28
利用半导体材料的特性实现受激辐射，具有 体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用 于通信、显示等领域。
2024/1/28
6
02
固体激光器原理与技术
2024/1/28
7
固体激光材料及其发光机制
2024/1/28
固体激光材料种类与特性
01
包括晶体、玻璃、陶瓷等，具有不同的发光特性和应用场景。
激光原理与激光技术 俞宽新 课后答案
=
λ2 1.06 2 × 10 −12 0 = = 1.9 × 10 − 22 m 2 4π 2 n 2τ 3 ∆ν F 4 × 3.14 2 × 1.8 2 × 2.3 × 10 − 4 × 2 × 10 11
(3) 计算红宝石激光器当ν=ν0 时的峰值发射截面，已知λ0=0.6943µm, ∆νF =3.3 ×1011Hz, τ2=4.2ms, n=1.76。 解： S
∆ν c =
输出损耗 :
1 1 = = 9.1 × 10 6 Hz = 9.1MHz 2πτ c 2 × 3.14 × 1.75 × 10 −8 1 L = = 2.78 × 10 −8 s δc 0.119 × 3 × 10 8
δ=−1 ln r1 r2 = −0.5 × ln( 0.985 × 0.8 ) = 0.119 τ c = 2
解： P =
dϕ hν dt
P=
dϕ P Pλ 1 × 10 × 10 −6 = = = = 5 × 10191 / s − 34 8 dt hν hc 6.63 × 10 × 3 × 10
(6)红宝石调 Q 激光器中有可能将几乎全部的 Cr+3 激发到激光上能级，并产生激光巨脉冲。设红宝石棒直 径为 1cm，长为 7.5cm，Cr+3 的浓度为 2×109cm-3，脉冲宽度 10ns，求输出激光的最大能量和脉冲功率。 解： W = ϕhνV = πr 2 Lϕhν = 3.14 × 0.0052 × 0.075 × 2 × 1015 × 6.63 × 10 − 34 ×
τc =
L′ 0.6 = = 6.366 × 10 − 8 s 8 δc 0.01π × 3 × 10
∆ν c =
1 1 = = 2.5MHz 2πτ c 2 × 3.14 × 6.366 × 10 − 8
第一章 激光的原理及技术基础
激光的原理早在 1916 年已被爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次 成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的， 它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学 科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。
激 励 运 自
发 受 激 受 激
4
E3
辐 射
辐 射
吸 收
E2 E1
常温下， E2是空能级（其 上粒子数很少），故很容易 在E3和E2间形成粒子数反转， 且E2的寿命也很短，由E3经受 激辐射到E2的粒子很快又无 辐射跃迁到E1 。可见，在四 能级工作物质中，使E3与E2间 实现粒子数反转比在三能级 工作物质中容易得多，而且 效率高。
E4
抽 运
自 受
无辐射跃迁 E3 受
发 辐 射
激 辐 射
激 吸 收
E2 E1
激 励
粒子数反转（Population inversion)
通过讨论我们看到，上述体系不可能获得 受激辐射光放大。要想获得这种效应，除非使 体系处于非热平衡态，即设法使处于高能级上 的原子数目多于低能级上的原子数目。这样， 使原子获得正常分布的反转状态，这种分布称 为粒子数反转。
高亮度
普通光源中氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不 相上下 激光的亮度是太阳光的100亿倍甚至更高，被 称为”最亮的光“ 激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在 极小的空间范围内，被称为”最快的刀“
高相干性
光的相干性：振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定
相干性主要是描述光波各个部分的相位关系
激光原理与技术
第3章：激光纵模：每一个q值对应有正反两列沿相反方向传播的同频率光波两列光波的结果，将在腔内形成驻波。
谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。
激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2μL.腔内两个相邻纵模频率之差为纵模的频率间隔：△Vq=Vq+1-Vq=c/2μL.激光纵模：激光的模式也常采用微波中标志模式的符号来标记，极为TEMmnq，其中TEMoo是基横模。
激光横模：在激光谐振腔存在的稳定的横向分布，就是自再现模，通常称为横模。
m、n的值正好分别等于光强在x，y方向上的节线（光强为0的线）数目，而且由Fm （X）和Fn（Y）函数的机制分布看出，m、内的值越大，光场也越向外扩展。
基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束。
高斯光束与普通光束有很大区别，它的传播方向性好很好，同时也会不断的发散，其发散的规律不同于球面波，在传播过程中她的波面曲率一直在变化，但是永远不会变成0，除光束中心外，高斯光束并不沿直线传播。
高斯光束的强度分布：在z处基膜的有效截面半径w （z）=根号下λL[1+(2z/L) ²]/2π。
在共焦腔中心（z=0）的截面内光斑有极小值束腰半径：Wo=Ws/根号2=根号下λL/π除以根号2；在共焦腔的焦平面上，束腰半径Wo最小。
该处称为高斯光束的“光腰”或“束腰”。
基膜光斑尺寸：Ws=根号下Xs ²+Ys²=根号下λL/π。
高斯光束共焦场的相位分布由相位函数φ（x，y，z）描述，φ（x，y，z）随坐标而变化，与腔的轴线相交于Zo的等相位面的方程为：φ（x，y，z）=φ（0，0，Zo），则偏离实际广州的程度Z-Zo=（根号下Ro²-（x²+y²））-Ro。
当zo>0时，Z-Zo<0；当Zo<0时，Z-Zo>0.这就表示，共焦场的等相位面都是凹面向着腔的中心（z=0）的球面。