知识点：激光原理
2016-03-18 01:47:25 15 举报AI智能生成
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激光原理是研究激光的产生、传播和特性的科学。激光是一种高度集中的光束，具有单色性、相干性和高亮度等特点。激光的产生需要通过激发介质中的原子或分子，使其处于高能级状态，然后通过外界刺激使其跃迁回到低能级，释放出光子。这些光子在介质中传播时，会保持相同的相位和频率，从而形成激光束。激光的应用非常广泛，包括医疗、工业、通信、科研等领域。
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大纲/内容
激光原理
第一章 激光的物理基础
第一节 光的电磁波理论
一、波动方程
麦克斯韦方程组的微分形式
电场强度矢量E
磁场强度矢量H
电感应强度矢量D
磁感应强度矢量B
自由核密度ρ
自由电荷的电流密度J
物质方程
电的极化P
磁的极化M
真空介电常数ε_0
真空磁导率μ_0
介质的线性极化系数χ
非磁性的各向同性的极化介质中传播的波动方程式
光波的电场强度E
介质的电极化程度P
二、赫姆霍兹方程
波动方程式特解
传输方向上的波矢量k
第二节 光波的模式和光子的量子状态
一、光子的基本性质
光子的能量ε
光波频率ν
运动质量m
光子的动量P
光子的运动方向n_0
二、光波的模式和光子的量子状态
1.仅传播方向不同可能存在的模式数
2.仅频率不同可能存在的模式数
光谱宽度δν
光波列的长度l_c
3.仅偏振态不同可能存在的模式数
一种运动状态占据动量空间的体积元δp
光子运动的体积V
第三节 光的相干性和相干体积
相干体积V_c
相干面积A_c
相干长度L_c
相干时间τ_c
线度x
光源的面积σ
第四节 光子简并度
第五节 黑体辐射
第六节 光的自发辐射、受激吸收和受激辐射
一、自发辐射
自发辐射（爱因斯坦）系数/几率
A_21=dn_21 /dt·1/n_2
原子在高能级上是不稳定的，总是力图使自己处于低能级状态
处于高能级的原子跃迁到低能级，并以光辐射形式释放能量
二、受激吸收
受激吸收（爱因斯坦）系数/几率
当原子系统受到外来光子作用下，处于低能级上的原子受到激发，跃迁到高能级上去
三、受激辐射
受激辐射（爱因斯坦）系数/几率
当原子系统受到外来光子作用下，处于高能级上的原子跃迁到低能级，并发射一个与外来光子一模一样的光子
第七节 激光的产生
前提条件
工作物质
提供放大作用的增益介质
激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构
谐振腔
使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡
外部条件
激励能源
使激光上下能级之间产生集居数反转
内在依据
一、集居数反转分布和光的受激辐射放大
1.集居数反转分布
2.光在增益介质中的放大
激活物质/激光介质/增益介质
工作物质中（高能级E2和低能级E1之间）实现了集居数反转分布
二、激光振荡和阈值条件
1.激光的振荡
2.阈值条件
第八节 激光器和激光的特性
一、激光器
1.光泵浦激光器
红宝石Cr^3+ ：Al2O3
结构
红宝石晶体棒
全反射镜r=1
部分反射镜r1
脉冲氙灯
电源
聚光器
内表面镀有金属高反射膜
掺钕钇铝石榴石Nd^2+ :YAG
钕玻璃
2.气体放电激光器
3.半导体激光器
半导体晶体的解理面
电注入
光激励
高能电子束激励
碰撞电离激励
二、激光的特性
归结为一个特性
激光具有很高的光子简并度
1.激光的方向性
2.激光的单色性
频谱宽度Δν/光波频率ν=谱线宽度Δλ/中心波长λ
频率范围Δν=c*谱线宽度Δλ/中心波长λ^2
ν=c/λ
3.激光的高亮度
4.相干性
（1）空间相干性
（2）时间相干性
习题
第二章 光学谐振腔
第一节 光学谐振腔的构成和作用
一、光学谐振腔的构成和分类
1.平行平面镜腔
2.双凹球面镜腔
对称共焦球面镜腔
两凹面镜焦点在腔中心处重合
R1=R2=L
共心腔
两凹面镜曲率中心在腔内重合
R1+R2=L
3.平面一凹面镜腔
半共焦腔
R=2L
4.特殊腔
双凸腔
平凸腔
凹凸腔
二、光学谐振腔的作用
1.提供光学正反馈作用
组成腔的两个反射镜面的 反射率
反射镜的几何形状和组合方式
2.产生对振荡光束的控制作用
限制
方向
频率
可用改变参数
反射镜
几何形状
曲率半径
镜面反射率及配置
控制作用
模式
提高光子简并度
单色性好
方向性强
相干光
参数
横向分布特性
光斑大小
谐振频率
光束发散角
光束损耗
在增益一定的情况下控制输出功率
第二节 光学谐振腔的模式
一、驻波条件
二、纵模
在频率尺度上是等距离排列
每个纵模均有一定的谱线宽度
纵模频率只是有限的几个
激光器中出现的纵模数
工作原子（分子或离子）自发辐射的荧光线宽Δν_F
激光器腔长L
三、横模
激光的模式表示
TEM_00基膜
TEM_mn |-
TEM_pl ○×
四、横模的形成
五、激光模式的测量方法
第三节 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽
第四节 光学谐振腔的几何光学分析
一、光线传播矩阵
二、共轴球面腔的稳定条件
三、稳定土
第五节 光学谐振腔的衍射理论分析
第六节 平行平面腔的Fox—Li数值迭代法
第七节 稳定球面镜共焦腔
第八节 一般稳定球面镜腔及等价共焦腔
第九节 非稳定谐振腔
第十节 选模技术
第三章 高斯光束
第一节 高斯光束的基本性质
第二节 高斯光束的传输
第三节 高斯光束通过薄透镜的变换
第四节 高斯光束的聚焦
第五节 高斯光束的自再现变换和ABCD定律在光学谐振腔中的应用
第六节 高斯光束的匹配
第七节 高斯光束的准直
第四章 光场与物质问的相互作用
第一节 光场与物质相互作用的经典理论
第二节 光谱线加宽
一、自发辐射的谱线加宽和线型函数
（二）线宽ν（光谱线宽度FWHM）
二、光谱线的加宽机制和类型
（一）自然加宽和寿命加宽
（二）气体介质中的光谱线加宽机制
1.碰撞加宽
2.多普勒（Doppler）加宽
（三）固体和液体激光介质中的谱线加宽
1.固体离子掺杂型激光介质中的谱线加宽
热声子加宽
晶格随机缺陷加宽
2.液体激光介质中的谱线加宽机制
（四）光谱线的加宽类型；均匀加宽与非均匀加宽
类型
均匀加宽
自然加宽
寿命加宽
压力加宽
非均匀加宽
多普勒加宽
第三节 光场与物质相互作用的速率方程描述
第五章 激光放大与振荡原理
第一节 激光泵浦和集居数密度反转
第二节 激活介质的稳态增益放大
第三节 激光器振荡原理
第六章 激光过程动力学
第一节 激光振荡的建立
第二节 激光尖峰和弛豫振荡
一、“尖峰”现象的初步描述
1.t1-t2阶段
二、激光尖峰的相平面描述
三、驰豫振荡的线性分化近似分析
第三节 激光器调Q原理
Q开关
主动式Q开关
转镜调Q
电光调Q
声光调Q
被动式Q开关
染料调Q
第四节 激光器锁模
一、锁模基本原理
由于非相干叠加而呈现随时间的无规律起伏
对激光束进行特殊调制（采取一定的技术措施），使不同的振荡模间保持确定的相位关系并使相邻模间频差相等
纵模锁定
横模锁定
纵横模同时锁定
二、锁模方法及其原理概述
方法
主动锁模
被动锁模
同步泵浦锁模
注入锁模
对撞锁模
（一）主动锁模原理
调制器
电光调制器
声光调制器
功耗低
热稳定性好
（二）被动锁模原理概述
脉冲式
闪光灯泵浦的固体激光器
有机染料激光器
连续式
连续的有机染料激光器
半导体激光器
CO_2激光器
第五节 激光器半经典理论概述
参考文献
常用激光及原子常数表
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