1-6 激光特性.ppt

* * 1-6 激光特性 激光的特性： 1. 单色性好 2. 方向性好 3. 相干性好 4.及能量集中 激光的这些特性不是彼此独立的，它们相互之间有联系，正是由于激光的受激辐射本质决定了它是一个相干光源，因此其单色性和方向性好，能量集中。本节将分别叙述激光的这些特性。 一、单色性 光源的单色性由光源谱线的绝对线宽Δν或相对线宽R来描述，即 （1-6-1） 式中：ν——输出激光的中心频率。 利用ν=c/λ，不难证明用光波长描述的相对线宽R为： （1-6-2） 式中：Δλ——输出激光的波长范围； λ——输出激光的中心波长。 一般光源和激光线宽 一般光源：线宽是相当宽的，既使是单色性最好的氪灯，线宽也有104Hz～106Hz。 激光：线宽相当窄，理论上可以证明，单纵模激光器的谱线宽度存在一个理论极限，如氦氖激光器的线宽极限可以达到约10-4Hz的数量级，显然这是极高的单色性。 实际上，激光理论上的线宽极限很难达到，这是由于温度的变化、激光器的振动、气体激光器中激光物质存在的气流以及外界的泵浦等因素会导致谐振频率的不稳定。激光器工作时的频率漂移往往早就超过了理论上的线宽极限，故单纵模激光器的单色性主要是由于频率稳定性决定的。 目前单色性能最好的激光器是单纵模稳频气体激光器，如氦氖激光器，它的线宽可达到几个Hz。 激光器的单色性还与振荡模式数及激光工作物质有关，多纵模激光器的单色性显然比单纵模激光器要差，固体激光器的单色性比气体激光器差，单色性最差的激光器要属半导体激光器了。使用选模技术和稳频技术对改善激光器的单色性能有重要意义。 二、方向性 光源的方向性由光束的发散角θ来描述。 普通光源发出的光是向各方向传播的，发散角很大。激光的发散角却很小,它几乎是一束平行光。若将一束激光射到几千米处,光束扩散直径还不到10cm。而使用具有抛物形反射面的探照灯，也要扩散到几十米。 根据光的衍射理论,任何光通过输出孔径时都要产生衍射,衍射角的大小与光波长成正比,与孔的直径成反比,即 （1-6-3） 可以证明,单基横模激光器的光束发散角为： （1-6-4） d——激光腰直径 比较（1-6-3）式与（1-6-4）式 （1-6-3） （1-6-4） 发现激光的发散角已很接近衍射极限值 。 影响激光方向性的因素 激光的方向性与振荡模式、腔长、工作物质等都有关系。基横模的发散角最小，横模的阶次越高，发散角越大。因此，采用适当的选横模技术，使激光器工作的基横模状态是有利于改善激光的方向性的。谐振腔越长，激光方向性越好。 在各类激光器中，气体激光器的方向性最好，固体激光器次之，半导体激光器最差。 三、相干性 激光器的相干性能比普通光源要强得多，一般称激光为相干光，普通光为非相干光，相干性有时间相干性和空间相干性之分，我们分别来讨论激光的这两种相干性。 （一）时间相干性 光源的时间相干性与单色性相联系，光源的谱线宽度Δν越窄，相干时间 tc就越长。激光的线宽非常窄，故它的时间相干性比起普通普通光源就好得多。 （二）空间相干性 这里主要是指横向空间相干性，它与光源的方向性相联系，对于普通光源来说，它所分出的光分属众多的模式，只有在一定范围空间中的光子才是相干的。 使用相干面积来描述光的空间相干性。对于激光来说，只有属于同一个横模模式的光子才是相干的，不属于同一个横模模式的光子则不相干，因此，激光的空间相干性由激光器的横模结构所决定，如果激光是单横模，则它是完全空间相干的，如果激光是多横模，则它的空间相干性能变差。 此外在前面所叙述的激光方向性中，谈到过单基横模的方向性最好，横模阶次越高方向性越好，它的空间相干性程度就越高。 激光的相干性的应用：如使用激光干涉仪比普通干涉仪速度快、精度高。用激光作为全息照相的光源，也是利用它的相干性能好的特点。