ch.1激光的基本原理13-3-17-final
第一章第一章 激光基本原理激光基本原理一、激光发展简史一、激光发展简史二、基本原理二、基本原理 爱因斯坦辐射理论爱因斯坦辐射理论三、激光的特点及应用三、激光的特点及应用一、激光发展简史一、激光发展简史1900Planck提出能量子假说提出能量子假说 1905 1917Einstein提出受激辐射理论提出受激辐射理论1953Towns建立第一台微波激射器（建立第一台微波激射器（maser)1958Towns,Shawlow开始研制激光器开始研制激光器1960Maiman制成第一台红宝石激光器制成第一台红宝石激光器1961-65激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器， 用于激光通讯；用于激光通讯；2CO激光器，用于激光熔炼、激光器，用于激光熔炼、 激光切割、激光钻孔激光切割、激光钻孔. 1968-69月球上设置激光反射器；地面与卫星联系月球上设置激光反射器；地面与卫星联系1982激光全息术激光全息术 80-90年代年代激光外科手术，通讯、光盘、激光武器激光外科手术，通讯、光盘、激光武器.汤斯汤斯Towns：美国哥伦比亚大学美国哥伦比亚大学肖洛肖洛Shawlow：美国贝尔实验室美国贝尔实验室梅曼梅曼Maiman：休斯实验室休斯实验室Einstein提出光量子理论提出光量子理论二二.基本原理：爱因斯坦理论基本原理：爱因斯坦理论自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收微观粒子能量的量子化微观粒子能量的量子化能级能级微观粒子只能处于一系列本征状态微观粒子只能处于一系列本征状态每一状态具有分立的能量值每一状态具有分立的能量值能级能级简并：粒子有多种状态具有同样的能量能级简并度：具有同样的能量粒子状态数目Eground stateexcited state)(1038. 123121212玻尔兹曼常数JKkeff nnkTEE×=粒子的能量玻耳兹曼分布为动态分布玻耳兹曼分布为动态分布-玻耳兹曼分布若若 f2 f1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比11212，激 光器建立相应的稳定状态G>Gt（激光工作）,光强增加， 直到饱和，光强增大幅度变小， 至GGt，光强不增加， G也不 下降稳定态建立起来稳态的建立与初始的激发有关，虽然G=a，但G 表示输出与输入功率之比)ln(21),(21rrLIvGiv均匀加宽谱线情况均匀加宽谱线情况单模输出问题：均匀加宽介质组成 的激光器由自发辐射到稳 定的激光输出的过程？非均匀加宽谱线情况非均匀加宽谱线情况多纵模振荡腔模的物理概念腔模的物理概念两块反射镜片浸在均匀、无限、各向同性的介质中， 由于镜腔的横向尺寸产生衍射损耗，对场的空间分布发生 影响。多次衍射后，边缘附近的场振幅较小。经过多次渡 越后，形成稳定的场。横模：开腔镜面上经一次往返能再现的稳定场分布。横模及横模的形成横模及横模的形成横模横模相同的横向场分布的模式（不同光斑花样）（2）旋转对称旋转对称 TEMmnm暗直径数；n暗环数(半径方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x, y 轴对称轴对称 TEMmnmX向暗区数nY向暗区数TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31基基( (横横) )模模 TEM00 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布氏窗、反射镜等）会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。开腔模式形成的定性解释开腔模式形成的定性解释 横模产生的原因平行平面腔内光波传输过程的模拟平行平面腔内光波传输过程的模拟光在腔反射镜面上经过一次往返传输后光在腔反射镜面上经过一次往返传输后 能能“自再现自再现”的稳定场分布就称为的稳定场分布就称为横模横模。如图所示的是几个低级横模的光场强度分布照片。横模阶 数越高, 光强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束 发散角越大。不同横模的光场强度不同横模的光场强度基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很 小, 其光束发散角最小, 功率密度最大，因此亮度也最 高，径向强度分布是均匀的。横模虽容易观察，但其产生原因较复杂，比如：不不 在轴上光束的加强干涉，工作物质的色散、散射效应及在轴上光束的加强干涉，工作物质的色散、散射效应及 腔内光束的衍射效应等等，都对横模有影响腔内光束的衍射效应等等，都对横模有影响。这里只就 第一种原因作简单分析：在腔内光束除与腔轴严格平行 外，有那些稍微偏离走“Z”字形的光束, 虽经多次反射 后, 仍未偏出腔外，能符合能符合 2nLcos =k条件条件, 因而在 某一方向存在着加强干涉的波长, 设以Z代表腔轴方向， 垂直Z的截面为XY平面。这截面所产生的部分横模如图。标记标记TEMmn中中TEM代表电磁横波代表电磁横波，图上的标记符号，是从微波技术上接过来的， m代表x方向上的波节数，n代表y方向上波节数。以轴为基准，TEM00代表单模代表单模或名基模或名基模。TEM10代表m=1， n=0的模，余类推。相邻横模的波长差，随着具体的腔的结构及反射镜的调节不同颇不一致。另外，相邻横模的偏振方向虽相同，但有的有位相差, 如图中所示的箭头。由应用光学可知, 其光斑直径 d=f ( f为透镜焦距，为光束发散角)。不同横模的光场强度不同横模的光场强度高斯光束的基本性质高斯光束的基本性质基膜高斯光束基膜高斯光束场分布：)2()( 00222)(),(fzarctgRrzkzr ieezczyxu+= （）其中， 2,)(1 )(1)(02 02 22 0222=+=+=+=+=kffzfzzfzRfzzyxr曲率半径光斑半径共焦参数由凹面镜构成的谐振腔产生的激光既不是均匀平面波也不是均匀球面波，是一种比较特殊的光束基膜高斯光束在自由空间的传输规律基膜高斯光束在自由空间的传输规律2 2 002 0)(1)(1)(z fzz+=+=.高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯函数)(/22zre从中心向外平滑降落。光斑半径随z按双曲线规律扩展。垂直于传播方向的场振幅分布光斑半径随z成双曲线2222 0( )1zz f=等相位面( )zfR zffz=+相移22( , )( )2 ( )2 ( )krr zkzzR zkr R z kzzarctgf=+=总相移：总相移：几何相移：几何相移：径向相移：径向相移：附加相移：附加相移：)2()( 00222)(),(fzarctgRrzkzr ieezczyxu+= 瑞利长度（共焦参数）2 0f=光斑半径增加到腰粗的处的位置远场发散角( )0 0lim zzz=.相移特性由相移因子fzarctgRrzk+)2(2决定。相对于原点处的相位滞后。高斯光束的等相位面 是球面。 )(122 0 zzR+=当z时，R当z±时，R z 当z ±f时， R f.远场发散角 002)(2lim=zz高斯光束在传输轴线附近可近似看为非均匀球 面波，曲率中心随传输距离改变，其振幅和强度在 横截面内始终保持高斯分布特性，其等相位面保持 球面高斯光束的高斯光束的q参数及变换规律参数及变换规律把（）与r有关的项放在一起，)()(12 0022)(),(fzarctgkzizizRrik eezczyxu=引入与横坐标r有关的新参数q（z），)()(1 )(12zizRzq=（）则)(1Im)(1)(1Re)(12zqzzqzR =zqzizq+=+=02 0)( （）对薄透镜，入射和出射光斑大小21=FRR11112=（）于是由（）得薄透镜的变换公式Fqq11112=（）参数q的统一变换规律DCqBAqq+=11 2（）高斯光束经光学系统变换服从的公式。知道了旁轴光线通过系统的变换矩阵，可求得某位 置的q，进而求得曲率半径和光斑大小。例：已知焦距，物方束腰0 束腰与透镜的距离为l，求像方高斯光束的束腰及 束腰与透镜的距离。解：在z处，2 0 0)0(iqq=在处，lqqA+=)0( 在处， FqqAB111=在处，cBlqq C+=于是，22 0222 0222 0222 0)()()()()()()(+ + += lFF i lFlFl FlcqC因c在像方光腰处， 01Re=cqRc于是可得，L'0
