丘志仁《激光原理与技术》激光原理与技术-可爱版.docVIP

激光原理 邱志仁 PAGE7 / NUMPAGES18 激光原理 辐射的基础知识及激光束的基本特性 §1-1 光辐射的一般规律 辐射通量: 焦耳/秒=瓦 （积分球） 辐射通量密度N瓦/平方米：入射到单位面积的辐射强度 辐射能量密度ρ(ν OR λ) 单位体积内包含的辐射能量 指定方向（与法线成Θ角的dΩ小锥体内）、面积A上的辐射通量：NAcosΘdΩ 朗伯定律：当辐射通量密度N不依赖方向时，表面总辐射W=πNA 普朗克定律：当腔内的电磁辐射在绝对温度T处于热平衡时，辐射密度服从 单位面积的辐射通量密度 斯特藩-波尔兹曼定律：黑体总辐射 维恩位移定律对于每一温度，有最大辐射强度波长 普通光源特点：单色性差；方向性差；亮度不高。来源于自发发射。 光产生的方法和应用 热激发，电激发，光激发，场致发光，化学激发，射线 §1-2 光与物质的相互作用辐射的能量的交换 热平衡时粒子数的分布（布居数） 量子统计理论： 辐射能量交换的三个基本过程 受激吸收： 几率，单位时间过渡的数目 受激发射： 几率，单位时间过渡的数目 受激发射的光子与入射的光子的频率、相位、偏振相同产生相干光，放大作用。 自发发射： 几率，单位时间过渡的数目 热平衡状态下三个基本过程所占比率 非简并时 与普朗克定律比较有： §1-3 激光束的基本特性 激光束的亮度 辐射亮度（某一方向）：瓦/cm2.立体角 立体角计算： 激光束的单色性 实际光谱不是单一波长的光，单色性 激光束的相干性 干涉现象的物理本质是：相位相关性。 空间相干性 时间相干性 衡量相干性的参数：横向相干面积、纵向相干面积 空间相干性横向相干长度： 时间相干性纵向相干长度：； 普通光源与激光相干性差异的物理原因：发光中心的相位和频率 光学谐振腔 §2-1 闭合腔中的振荡模 敞开腔：单色性差 闭合腔：空间限制形成驻波，单色性好 模的特征：每一个稳定的驻波模的特征是有一定的传播方向；一定的波长（频率）；一定的偏振。 模参数的描述 驻波条件 一个模的表述：（m,n,q） 单个模体积 模密度 振荡模总数 实际空间（单位体积单位频率间隔的）振荡模密度 例子：同在1立方厘米的闭合腔中，微波与光频区的比较 §2-2 开放式谐振腔的模间距及带宽 敞开式反射镜谐振腔光频区采用 纵模和横模：（m,n,q） 敞开腔与闭合腔模数比较 敞开腔模数减少 谐振腔的若干重要参数 谐振腔的时间常数 纵模间距 谐振腔产生的带宽 谐振腔品质因素Q §2-3 谐振腔的稳定条件 几种特殊腔稳定性分析 平行平面镜腔 稳定要求 半球面镜腔 稳定要求 共焦腔 只要开始时 一般情况下谐振腔的稳定条件 §2-4 谐振腔的特性 谐振腔的Q值（品质因子） 由于光谱自然加宽 结论：越窄，Q值越高，单色性越好！ 谐振腔的衍射损耗菲涅耳数N 平行平面镜谐振腔 当时，Q值达到极大值 共焦腔 当时。 Q值极大 谐振腔的模式场图TEMmnq; TEMpl 谐振腔参数计算光斑直径、模体积、光束发散角 光斑面积与直径 光束半径：电场减到1/e时的r值 对共焦腔（） 其中光腰半径 高斯光束共焦参数 任何位置光斑半径： 在镜面上， 光束发散角 光束半顶角（发散角） 模体积 激光输出功率正比于模体积 一般情况,R1,R2,L,ω1,ω2,θ的关系 一般腔 共焦腔 平面-凹面腔 谐振腔的模频谱和谱线加宽与宽度 谐振腔的模频谱 曲率半径腔 共焦腔 对于非共焦腔 后一项不是整数，频谱更复杂 谱线加宽与宽度 归一化线型函数 谱线宽度定义为 均匀加宽：每一个发光原子对光谱线内任一频率都有贡献，每个原子都是等同的 洛仑兹线型 非均匀加宽 发分子热运动热平衡下，原子数按速度分布服从麦克斯韦分布： n单位体积工作物质内总原子（原子）数以千计 m原子或者分子质量 多普勒效应频率 非均匀加宽线型高斯分布 其中 相对原子（分子）质量 获得单频的措施 输出镜最佳透过率 激光放大器与振荡器 §3-1 受激跃迁产生的吸收与放大 受激吸收产生的能量密度减小 受激发射产生的能量密度增大 热平衡与非热平衡和激光放大与振荡器的先决条件 非简并时， N1N2：正吸收 N1N2 负吸收， 放大 N1=N2 透明材料 §3-2 产生粒子数反转的几种量子系统 什么是量子系统？大量粒子（原子、分子和离子）的集合。 二能级系统（电抽运） 微波区，半导体激光器 三能级系统（光抽运） 一般特性描述 过渡动力学与产生激光必须条件 热平衡时 假设： 产生激光必须条件： 例子：红宝石激光器 四能级系统（固体工作物质，光抽运） 一般特性 过渡动力学 四能级与三能级系统阈