高二物理競(jìng)賽光學(xué)諧振腔的作用課件

一般由一對(duì)相距為的反射鏡（平面或球面）組成。平面諧振腔中：一個(gè)全反射鏡的，另一個(gè)的。1．光學(xué)諧振腔的作用1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。2）諧振腔實(shí)現(xiàn)光的定向連鎖放大作用（1）初始階段：自發(fā)輻射的光子是向各方向發(fā)射的，引起的受激輻射的方向也是隨機(jī)的。（2）只有沿軸向傳播的光才能在反射鏡之間多次反射，形成雪崩式的連續(xù)光放大，（3）一部分激光穿透部分反射鏡輸出，形成穩(wěn)定的激光。（4）諧振腔的作用保證了激光輸出的穩(wěn)定性和極好的方向性。3）諧振腔的閾值條件（1）增益使光強(qiáng)變大（2）損耗（它包括光在端面上的吸收、透射以及衍射等）使光強(qiáng)變小（3）增益大于損耗才能獲得激光輸出（4）閾值條件和閾值增益諧振腔內(nèi)光的增益與損耗

M1M2I1I2I4I3I5相應(yīng)的增益稱為諧振腔的閾值增益，記作：要求：，至少應(yīng)當(dāng)：，稱為諧振腔的閾值條件

（2）實(shí)際增益隨光強(qiáng)的增大下降（1）實(shí)際增益大于時(shí)，光強(qiáng)才能不斷增強(qiáng)。討論：（3）當(dāng)下降到時(shí)，諧振腔內(nèi)光強(qiáng)就維持穩(wěn)定了。（4）激光器產(chǎn)生激光的必要條件：工作物質(zhì)的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)，諧振腔滿足閾值條件。輻射線寬定義：以中心頻率輸出的激光所具有的頻率半寬度。1）激光輸出的輻射線寬2）造成激光譜線增寬的因素（1）自然線寬定義：由發(fā)射波列的持續(xù)時(shí)間決定的譜線寬度能級(jí)（亞穩(wěn)態(tài)）上的壽命相當(dāng)于粒子發(fā)射波列的持續(xù)時(shí)間。由時(shí)間相干反比公式可知：因此，自然線寬：（數(shù)量級(jí)），

甚至更小。（2）碰撞展寬定義：粒子間碰撞引起的輻射譜線加寬粒子間的碰撞可加速躍遷，從而縮短了能級(jí)的壽命粒子碰撞的頻率越大，碰撞展寬也越大。激光器的碰撞展寬：

（3）多普勒展寬定義：由多普勒頻移效應(yīng)引起的譜線展寬粒子的速率分布服從麥克斯韋速率分布，故多普勒展寬的線型與麥克斯韋分布函數(shù)曲線相似。，相當(dāng)于：激光器的多普勒展寬：

單色性較好由，可知2．諧振腔的選頻作用1）縱模及間隔縱模：縱模間隔：?jiǎn)文＞€寬：2）激光器諧振腔的選頻作用將激活物質(zhì)產(chǎn)生的寬譜線激光變成了許多等間隔的窄譜線的輸出激光3）縱模個(gè)數(shù)愈小，愈大，縱模個(gè)數(shù)愈少。

例題：若或求縱模個(gè)數(shù)？這種激光器稱為多縱橫（或多頻）激光器。這種激光器稱為單縱模（或單頻）激光器。若解：4）He－Ne激光器的腔長(zhǎng)與縱模間隔的數(shù)據(jù)實(shí)例3．激光的橫模1）定義：諧振腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布激光器輸出光束在屏上形成的光斑形狀直觀地顯示了橫模形式，2）激光橫模的表示法：TEM是“橫電磁”的英文字頭縮寫，為縱模序數(shù)，通常略去不寫。

和分別表示在水平（）和豎直（）方向出現(xiàn)的暗區(qū)數(shù)下圖畫出了幾種橫模圖形。或者：表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)，表示出現(xiàn)的暗直徑條數(shù)3）縱模和橫模的物理意義：諧振腔所允許的激光光場(chǎng)的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布模式最常用的是最低階模，這時(shí)光束具有最好的空間相干性。§6激光的特性和應(yīng)用1．激光的主要特點(diǎn)較好的激光源的單色性表征量的量值約數(shù)量級(jí)，1）高單色性好的可高達(dá)的數(shù)量級(jí)。2）高定向性光束沿空間極小的立體角范圍（一般為球面度）向前傳輸。3）高相干性具有高度的時(shí)間相干性和高度的空間相干性。激光的相干性、單色性及方向性均最好。單縱模及橫模運(yùn)行時(shí)，4）高強(qiáng)度自然界中最強(qiáng)的光源要屬太陽(yáng)，它的亮度值約為，而目前大功率激光器輸出亮度可達(dá)2．激光的應(yīng)用1）利用激光的高強(qiáng)度打孔、焊接、切割，激光手術(shù)刀，作為激光武器，引發(fā)激光核聚變，進(jìn)行非線性光學(xué)的研究等。2）利用激光的高相干性進(jìn)行高精度大范圍測(cè)量，測(cè)量天文尺度的長(zhǎng)距離，測(cè)40