丘志仁《激光原理与技术》激光原理与技术-可爱版

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1、激光原理邱志仁激光原理第一章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1．辐射通量:焦耳/秒=瓦（积分球）2．辐射通量密度N瓦/平方米：入射到单位面积的辐射强度3．辐射能量密度ρ(νORλ)单位体积内包含的辐射能量4．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：NAcosΘdΩ5．朗伯定律：当辐射通量密度N不依赖方向时，表面总辐射W=πNA6．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7．单位面积的辐射通量密度8．斯特藩-波尔兹曼定律：黑体总辐射9．维恩位移定律----对于每一

2、温度，有最大辐射强度波长10．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。11．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1．热平衡时粒子数的分布（布居数）量子统计理论：18/18激光原理邱志仁1．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2．热平衡状态下三个基本过程所占比率非简并时与普朗克

3、定律比较有：§1-3激光束的基本特性1．激光束的亮度辐射亮度（某一方向）：瓦/cm2.立体角立体角计算：2．激光束的单色性实际光谱不是单一波长的光，单色性3．激光束的相干性干涉现象的物理本质是：相位相关性。（1）空间相干性（2）时间相干性（3）衡量相干性的参数：横向相干面积、纵向相干面积（4）空间相干性-------横向相干长度：18/18激光原理邱志仁（1）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第一章光学谐振腔§2-1闭合腔中的振荡模1．敞开腔：单色性差2．闭合腔：空间限

4、制形成驻波，单色性好3．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。4．模参数的描述（1）驻波条件（2）一个模的表述：（m,n,q）（3）单个模体积（4）模密度（5）振荡模总数（6）实际空间（单位体积单位频率间隔的）振荡模密度（7）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1．敞开式反射镜谐振腔-----光频区采用2．纵模和横模：（m,n,q）3．敞开腔与闭合腔模数比较敞开腔模数减少4．谐振腔的若干重要参数18/18激光原理邱志仁（1）谐振腔的时间

5、常数（2）纵模间距（3）谐振腔产生的带宽（4）谐振腔品质因素Q§2-3谐振腔的稳定条件1．几种特殊腔稳定性分析（1）平行平面镜腔稳定要求（2）半球面镜腔稳定要求（3）共焦腔只要开始时2．一般情况下谐振腔的稳定条件§2-4谐振腔的特性1．谐振腔的Q值（品质因子）18/18激光原理邱志仁由于光谱自然加宽结论：越窄，Q值越高，单色性越好！1．谐振腔的衍射损耗-----菲涅耳数N（1）平行平面镜谐振腔当时，Q值达到极大值（2）共焦腔当时。Q值极大2．谐振腔的模式场图TEMmnq;TEMpl3．谐振腔参数计算------光斑直径、模体积、光

6、束发散角（1）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（）18/18激光原理邱志仁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，（1）光束发散角光束半顶角（发散角）（2）模体积激光输出功率正比于模体积（3）一般情况,R1,R2,L,ω1,ω2,θ的关系（a）一般腔（b）共焦腔（c）平面-凹面腔18/18激光原理邱志仁1．谐振腔的模频谱和谱线加宽与宽度（1）谐振腔的模频谱(a)曲率半径腔(b)共焦腔(c)对于非共焦腔后一项不是整数，频谱更复杂（2）谱线加宽与宽度归一化线型函数谱线宽度定义为(a)均匀加宽：每一

7、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(b)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：18/18激光原理邱志仁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(3)获得单频的措施1．输出镜最佳透过率第一章激光放大器与振荡器§3-1受激跃迁产生的吸收与放大1．受激吸收产生的能量密度减小2．受激发射产生的能量密度增大3．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，18/18激光原理邱志仁（1

8、）N1>N2：正吸收（2）N1