激光原理与技术讲稿.doc

第一章 激光的基本原理及其特性 激光技术是二十世纪六十年代初发展起来的一门新兴学科。激光的问世引起了现代光学技术的巨大变革。激光在现代工业、农业、医学、通讯、国防、科学研究等各方面的应用迅速扩展，之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。 激光与普通光源相比较有三个主要特点，即方向性好，相干性好和亮度高，其原因在于激光主要是光的受激辐射，而普通光源主要是光的自发辐射。研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。本章首先从光的辐射原理讲起，讨论与激光的发明和激光技术的发展有关的各方面物理基础和产生激光的条件。 光的辐射既是一种电磁波又是一种粒子流，激光是在人们认识到光有这两种相互对立而又相互联系的性质后才发明的。因此本章从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁。激光的产生又是光与物质的相互作用的结果，对光的平衡热辐射和光与物质的相互作用 (光的自发辐射、受激辐射、受激吸收) 的研究是发明激光的物理基础。光谱线的宽度，线型函数是影响激光器性能的重要因素，提高激光的单色性是激光技术的发展的一个重要方向。阐明上述这些基础后，本章最后一节讨论激光产生的条件。 1. 1 激光的特性 光的一个基本性质就是具有波粒二象性。人类对光的认识经历了牛顿的微粒说、惠更斯菲涅耳的波动说到爱因斯坦的光子说的发展，最后才认识到波动性和粒子性是光的客观属性，波动性和粒子性总是同时存在的。一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。在—定条件下，可能某一方面的属性比较明显，而当条件改变后，另一方面的属性变得更为明显。例如，光在传播过程中所表现的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显，这时往往可以把光看作是由一列一列的光波组成的；而当光和实物互相作用时(例如光的吸收、发射、光电效应等)，其粒子性较为明显，这时往往又把光看作是由一个一个光子组成的光子流。 一、光波的概述 光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播。光波既是电矢量的振动和传播，同时又是磁矢量的振动和传播。在均匀介质中，电矢量的振动方向与磁矢量的振动方向互相垂直，且、均垂直于光的传播方向。三者方向上的关系如图（1-1）所示。 图（1-1） 电磁波的传播 实验证明，光对人的眼睛或感光仪器（如照相底板、热电偶）等起作用的主要是电矢量，因此，以后着重讨论电矢量的振动及传播。习惯上常把电矢量叫做光矢量。由图1-1可知，电矢量振动方向和传播方向垂直，因此光波是一种横波。 1.线偏振光 设光波沿z轴方向传播，则光矢量的振动方向必在与z轴垂直的xy平面内。但是， 在xy平面内，光矢量还可能有不同的振动状态。如果光矢量始终只沿一个固定方向振动，这样的光称为线偏振光(或面偏振光)。普通光源发出的光，包括许多彼此独立的线偏振成分，它们的电矢量振动方向都在xy平面内，各取不同的方位，这样的光叫自然光。 根据矢量分解原理，在xy平面内电矢量的任一振动总可以分解成一个沿x方向的分振动和一个沿y方向的分振动。也就是说，一般的线偏振光总可以分解为沿x和y方向振动的位相相同或相反的两个线偏振光。显然这两种线偏振光的电矢量互相垂直且均垂直于传播方向。 2. 光速，频率和波长三者的关系 电磁波的波长范围非常宽，按其波长长短顺序，大体可分为无线电波、红外光、可见光、紫外光、x射线及γ射线，具体波长划分见图（1-2）电磁波谱图。图中表明各区域有所交错，可见光的波长范围只占整个电磁波谱的一个极小部分。目前通用激光器中常用电磁波在可见光或接近可见光范围，波长约从0.3(m—30(m(红外)，其相应频率由1015Hz—1013Hz。 图（1-2） 电磁波谱图 光在真空中传播的速度是一个重要的物理常数，实验测得的光速值为 光的频率就是光矢量每秒钟振动的次数，光振动的周期是完成一次振动所需的时间，频率和周期的关系互为倒数 (1-1) 光的真空波长指振动状态经历一个周期在真空中向前传播的距离，用字母表示。所以，在真空中光速、频率和波长有如下的关系 (1-2) 实验证明光在各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同，它等于真空中的光速的倍，为介质的折射率，即介质中光速为 (1-3) 由于各种介质的折射率总是大于l，所以总是小于。各种气体的折射率比l大得不多，可粗略地把各种气体的折射率当作1看待。由于不同介质的折射率不同，光速不同，所以同频率的光在不同介质