教育學(xué)激光技術(shù)與應(yīng)用

激光技術(shù)與應(yīng)用復(fù)習(xí)相關(guān)知識知識分子原子原子核、電子物質(zhì)結(jié)構(gòu)能量概念能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種度量。對應(yīng)于物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式，能量也有各種形式，彼此可以互相轉(zhuǎn)換，但總量不變。-----能量守恒定律光也是一種能量的表現(xiàn)形式復(fù)習(xí)相關(guān)知識知識光的概念光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，也稱可見光譜。在科學(xué)上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動(dòng)性，稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。對于可見光的范圍沒有一個(gè)明確的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波長在400-700納米之間。人們看到的光來自于太陽或借助于產(chǎn)生光的設(shè)備，包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲等。復(fù)習(xí)相關(guān)知識知識折射率概念折射率是光學(xué)介質(zhì)的一個(gè)基本參量。定義為光在真空中的速度c與在介質(zhì)中的速度v之比，因此他標(biāo)志的是介質(zhì)對光的一種特征。

n=c/v=sini/sinr

由于光在真空中傳播的速度最大，故其他媒質(zhì)的折射率都大于1。復(fù)習(xí)相關(guān)知識知識一激光的特性

方向性好亮度高單色性好相干性好方向性好

方向性好發(fā)散角小：傳播相同距離時(shí)，光斑直徑小θ光束發(fā)散角=2α探照燈-35毫弧度=1度激光---10-2毫弧度激光的高方向性srΩ=θ

≈2.44λ/D2激光的高方向性氣體激光器方向性最好固體激光器方向性其次半導(dǎo)體激光器較差單色性好激光的顏色極純-單色性強(qiáng)連續(xù)光譜-太陽光譜線狀光譜-霓虹燈單一顏色譜線-激光單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率（或波長）所對應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。波長所對應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強(qiáng)度下降到的兩點(diǎn)之間的波長范圍：譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量單色性：/λ或氪燈——10-6普通氦氖激光——10-12激光的顏色極純-單色性強(qiáng)激光的顏色極純-單色性強(qiáng)氣體激光器單色性最好固體激光器單色性其次半導(dǎo)體激光器較差復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容我希望從課堂中學(xué)到什么？我如何做才能學(xué)到這些內(nèi)容？課堂紀(jì)律的要求是什么？我能做到么？為什么？請回答物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，什么是能量守恒定律什么是光？請畫出電磁波譜，并標(biāo)出各種射線的波長范圍什么是折射率？折射率的數(shù)值通常在什么范圍世界上第一臺激光器是什么時(shí)候產(chǎn)生的，我國第一臺激光器是什么時(shí)候產(chǎn)生的？是什么激光器？激光的四大特性是什么？能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律。高亮度光源的亮度B定義為光源單位發(fā)光表面S沿給定方向上單位立體角Ω內(nèi)發(fā)出的光功率P的大小B=P/SΩ激光的高亮度一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個(gè)數(shù)量級(幾千萬倍）連續(xù)發(fā)光激光器功率：幾毫瓦，幾瓦，十幾瓦、幾百瓦，目前可達(dá)幾千瓦，幾萬瓦脈沖激光器：毫焦耳，焦耳，幾十焦耳，目前可達(dá)幾千焦耳，幾萬焦耳時(shí)間，空間都得到壓縮的激光，其功率密度比會(huì)聚的太陽光高幾十億倍！激光的高亮度高亮度高亮度激光束經(jīng)聚焦后，可產(chǎn)生幾百萬個(gè)單位的高溫高壓。千分之一秒內(nèi)使任何金屬汽化。激光的相干性強(qiáng)

什么是相干性兩列振動(dòng)方向相同，頻率相同的單色光波疊加后，光的強(qiáng)度在疊加區(qū)域不是均勻分布，而是在一些地方有極大值，一些地方有極小值，這在疊加區(qū)域出現(xiàn)的強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象稱為光的干涉現(xiàn)象。相干的產(chǎn)生光是電磁波波的迭加服從迭加原理幾個(gè)波在相遇點(diǎn)產(chǎn)生的合振動(dòng)是各個(gè)波單獨(dú)產(chǎn)生的振動(dòng)的矢量和。迭量和原理實(shí)質(zhì)上是表示波傳播的獨(dú)立性。相干的產(chǎn)生兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同的單色光波的迭加I=4Icosб/2

б為相位差當(dāng)б為π的偶數(shù)倍時(shí)б=+2mπ光強(qiáng)達(dá)到最大當(dāng)б為π的奇數(shù)倍時(shí)б=+（2m+1）π光強(qiáng)達(dá)到最小02相干的產(chǎn)生很顯然相位差是由距離差引起的

б=（2π/λ）n（r–r）n（r–r）是光程差所謂光程，就是光波在某一種介質(zhì)中所通過的幾何路程和這介質(zhì)的折射率的乘積。采用光程概念的好處是，可以把光在不同介質(zhì)中的傳播路程都折算為在真空中的傳播路程，便于相互進(jìn)行比較。1212激光的相干性強(qiáng)時(shí)間相干性沿光束傳播方向上各點(diǎn)的相位關(guān)系相干長度為：L=ctc=c/△ν

△ν光源的譜線寬度，tc為相干時(shí)間可見：單色性越高相干長度越長。激光的相干性強(qiáng)空間相干性沿垂直光束傳播方向的波面上各點(diǎn)之間的相位關(guān)系空間相干以相干面積表示S=(λ/θ)可見方向性越好空間相干程度越高2激光的相干性強(qiáng)相干長度：單色性越好，相干長度越長普通光源——幾厘米激光可達(dá)——105千米激光的應(yīng)用

由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用激光的應(yīng)用:

由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

測量領(lǐng)域激光測長度、位移、速度、振動(dòng)、外形等通訊領(lǐng)域激光遙感、光纖通訊醫(yī)學(xué)領(lǐng)域激光手術(shù)、激光祛斑軍事領(lǐng)域激光武器、激光制導(dǎo)科研領(lǐng)域激光顯微鏡、激光引雷、驅(qū)霧、激光核聚變新聞出版激光照排、激光打印商業(yè)領(lǐng)域條形碼識別、激光防偽家庭娛樂激光視盤、激光投影、激光顯示工業(yè)制造激光制造、激光加工、快速成形復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容請回答物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，請畫出電磁波譜，并標(biāo)出各種射線的波長范圍什么是折射率？折射率的數(shù)值通常在什么范圍光的方向性用什么參數(shù)表示，激光的方向性是什么數(shù)量級？光的單色性用什么參數(shù)表示，激光的單色性是什么數(shù)量級？光的亮度用什么參數(shù)表示，一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，與太陽亮度比是什么數(shù)量級？什么是相干性？什么是時(shí)間相干？時(shí)間相干與什么有關(guān)？什么是空間相干？空間相干與什么有關(guān)？光的相干用什么參數(shù)表示，普通光的相干參數(shù)是什么數(shù)量級？激光的相干是什么數(shù)量級？什么是光程？什么是波的迭加原理？說出三個(gè)激光應(yīng)用的領(lǐng)域。復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容請回答物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，答：物質(zhì)是由分子組成；分子是由原子組成；原子是由原子核、電子組成請畫出電磁波譜，并標(biāo)出各種射線的波長范圍復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是折射率？折射率的數(shù)值通常在什么范圍？答：折射率是光在真空中的速度c與在介質(zhì)中的速度v之比，因此他標(biāo)志的是介質(zhì)對光的一種特征。

n=c/v=sini/sinr

由于光在真空中傳播的速度最大，故其折射率都大于1。復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容光的方向性用什么參數(shù)表示，激光的方向性是什么數(shù)量級？答：光的方向性用光的發(fā)散角α表示；單位是弧度，激光的發(fā)散角是在10毫弧度數(shù)量級-2復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容光的單色性用什么參數(shù)表示，激光的單色性是什么數(shù)量級？答：光的單色性用：Δλ/λ或Δλ表示激光的Δλ/λ是在10

譜線寬度：通常用強(qiáng)

度下降到的兩點(diǎn)之間的波長范圍：-12復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容光的亮度用什么參數(shù)表示，一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，與太陽亮度比是什么數(shù)量級？答：光的亮度是光源單位發(fā)光表面S沿給定方向上單位立體角Ω內(nèi)發(fā)出的光功率P的大小B=P/SΩ一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個(gè)數(shù)量級(幾千萬倍）復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是相干性？答：兩列振動(dòng)方向相同，頻率相同的單色光波疊加后，光的強(qiáng)度在疊加區(qū)域不是均勻分布，而是在一些地方有極大值，一些地方有極小值，這在疊加區(qū)域出現(xiàn)的強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象稱為光的干涉現(xiàn)象。什么是時(shí)間相干？時(shí)間相干與什么有關(guān)？答：時(shí)間相干是沿光束傳播方向上各點(diǎn)的相位關(guān)系因?yàn)橄喔砷L度為：L=ctc=c/△ν△ν光源的譜線寬度，tc為相干時(shí)間所以單色性越高相干長度越長。時(shí)間相干的參數(shù)是長度單位表示，5復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是空間相干？空間相干與什么有關(guān)？答：空間相干是指沿垂直光束傳播方向的波面上各點(diǎn)之間的相位關(guān)系空間相干以相干面積表示S=(λ/θ)所以方向性越好空間相干程度越高空間相干的參數(shù)是面積單位表示。光的相干用什么參數(shù)表示，普通光的相干參數(shù)是什么數(shù)量級？激光的相干是什么數(shù)量級？答：普通光源——幾厘米，激光可達(dá)——10千米5復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是光程？答：光程就是光波在某一種介質(zhì)中所通過的幾何路程和這介質(zhì)的折射率的乘積。復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是波的迭加原理？答：波的迭加原理：幾個(gè)波在相遇點(diǎn)產(chǎn)生的合振動(dòng)是各個(gè)波單獨(dú)產(chǎn)生的振動(dòng)的矢量和。迭加原理實(shí)質(zhì)上是表示波傳播的獨(dú)立性。說出三個(gè)激光應(yīng)用的領(lǐng)域。功率是指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量。功的數(shù)量一定，時(shí)間越短，功率值就越大。求功率的公式為功率=功/時(shí)間愛因斯坦受激輻射理論：

強(qiáng)調(diào)光的物質(zhì)性；用量子觀點(diǎn)預(yù)言受激輻射的存在和光放大的可能性。

激光的產(chǎn)生原理激光原理愛因斯坦理論：光是由一粒粒運(yùn)動(dòng)著的光子組成，每個(gè)光子具有確定的能量，它只能作為整體被吸收或產(chǎn)生，每一個(gè)光子的能量E與光的頻率ν成正比E=hν式中h為普朗克常數(shù)h=6.625*10焦耳·秒-34激光原理電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，電子的軌道半徑rn=nεh/πme把數(shù)值帶入得到上式rn=n*0.5埃因此原子的能量不能連續(xù)改變，只能是分立的數(shù)值這表明電子只能在某些確定的分立的軌道上運(yùn)動(dòng)能量最低的量子態(tài)稱為基態(tài)，能量高于基態(tài)的量子態(tài)稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量之差稱為該激發(fā)態(tài)的激發(fā)能把各個(gè)量子態(tài)的能級按一定比例畫成圖，叫做能級圖2022氫元素能級圖激光原理當(dāng)原子從高能級Em躍遷到低能級En時(shí)發(fā)射光子與外界交換能量，發(fā)射光子的能量hν就等于這兩個(gè)能級的能量之差hν=Em-En同樣，外來光子的能量hν恰好等于兩個(gè)能級的能量之差，原子就可以吸收這個(gè)光子的能量從低能級躍遷到高能級激光原理每種元素在適當(dāng)條件下加以激發(fā)都會(huì)產(chǎn)生他自己的特征光譜，特征的含義是：只要元素相同，產(chǎn)生的光譜就一樣；元素不同，產(chǎn)生的光譜就不同。這說明光譜包含著有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的豐富信息。氫元素光譜圖激光原理1.自發(fā)輻射。處于高能級E2的一個(gè)原子自發(fā)地向E1躍進(jìn)，并發(fā)射一個(gè)能量為hV有光子，這種過程稱為自發(fā)躍遷。由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光子稱為自發(fā)輻射。自發(fā)躍遷是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)而與輻射場pv無關(guān)的自發(fā)過程。自發(fā)輻射光E2E1E2E1激光原理2.受激吸收。原子和輻射場相互作用只包含上述自發(fā)躍遷過程，是不能維持輻射場的穩(wěn)定值的。因此，愛因斯坦認(rèn)為，必然還存在一種原子在輻射場作用下的受激躍遷過程，從而第一次從理論上預(yù)言了受激輻射的存在。處于低能態(tài)E1的一個(gè)原子，在頻率為v的輻射場作用（激勵(lì)）下，受激地向E2能態(tài)躍遷并吸收一個(gè)能量為hv的光子，這種過程稱為受激吸收躍遷，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，受激躍遷和自發(fā)躍遷是本質(zhì)不同的物理過程，受激躍遷不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，還與輻射的PV成正比。入射光E1原子吸收入射光子并躍遷至高能級E2E2E1激光原理3.受激輻射。受激吸收躍遷的反過種程就是受激輻射躍進(jìn)。由原子受激輻射躍遷發(fā)出的光子稱為受激輻射。入射光E2E1入射光受激輻射光E2E1受激輻射的特點(diǎn)結(jié)論：受激輻射產(chǎn)生的光子與原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。結(jié)論：受激輻射而得到的光是相干光。一個(gè)光子激發(fā)一個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，形成兩個(gè)完全相同的光子，這兩個(gè)光子再去激發(fā)兩個(gè)粒子，可以形成完全相同的四個(gè)光子，如此繼續(xù)下去，完全相同的光子數(shù)目越來越多，強(qiáng)度越來越強(qiáng)，有完全相同的光子組成的光就是激光參數(shù)：字面上理解是可供參考的數(shù)據(jù)，它可以是常數(shù)值，它可以是一種變量，用來控制隨其變化而變化的其他的量。簡單說，參數(shù)是給我們參考的。復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么叫參數(shù)？光具有哪兩重性？每個(gè)光子的能量如何表達(dá)？當(dāng)電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)電子的運(yùn)動(dòng)半徑如何表達(dá)，這一公式說明什么？什么叫基態(tài)？什么叫激發(fā)態(tài)？什么叫激發(fā)能？什么叫做能級圖？什么叫特征光譜？它這說明什么？什么是自發(fā)輻射？什么是受激吸收？什么是受激輻射？受激輻射光子的狀態(tài)如何？一個(gè)紫外光光子是否可激發(fā)出一個(gè)黃光光子反之一個(gè)黃光光子是否可激發(fā)出一個(gè)紫外光光子輻射激發(fā)由于受激吸收而躍遷到激發(fā)態(tài)的原子回到基態(tài)時(shí)就可以發(fā)光?；氐交鶓B(tài)可以有兩種途徑直接回到基態(tài)，這是輻射的光子的頻率與吸收的光子的頻率一樣。稱為共振輻射。通過中間能級回到基態(tài)。如果在這個(gè)過程中發(fā)射輻射光，那么它的頻率必定比吸收的頻率低，這種現(xiàn)象稱為熒光激光原理原子吸收入射光子并躍遷至高能級E2E1入射光E1E2E3E3輻射光E1E2E3輻射光E1E2E3激光的產(chǎn)生機(jī)理

式中e

=

2.718281828459K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，由于受激輻射與n2成正比，受激吸收與n1成正比∴受激輻射<<受激吸收，不可能實(shí)現(xiàn)光放大．要實(shí)現(xiàn)光放大，必須采取特殊措施，打破原子數(shù)在熱平衡下的玻耳茲曼分布，使n2＞n1。體系的這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡情況下，任意兩個(gè)高低能級上的粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即：二激光的產(chǎn)生1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的必要條件：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激勵(lì)（泵浦）：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程。具有亞穩(wěn)態(tài)的原子結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。紅寶石激光器（三能級系統(tǒng)）E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)氦氖激光器（四能級系統(tǒng)）E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)激光工作物質(zhì)能夠形成粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)發(fā)光粒子，稱之為激活粒子激活粒子可以是分子、原子、離子或電子——空穴對為激活粒子提供寄存場所的材料稱為基質(zhì)。基質(zhì)可以是氣體、固體或液體?；|(zhì)與激活粒子統(tǒng)稱為激光工作物質(zhì)激光的產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生激光的首要條件是：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為：激活介質(zhì)要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：要求介質(zhì)有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)

CO2、Nd:YAG、He－Ne均屬四能級結(jié)構(gòu)紅寶石屬典型的三能級結(jié)構(gòu)這些能級結(jié)構(gòu)都存在亞穩(wěn)態(tài)有必要的能量輸入系統(tǒng)，即泵浦源：光、熱、電、化學(xué)或核能等激光器的基本組成：工作物質(zhì)泵浦源光學(xué)諧振腔泵浦源為了形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要對激光物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，完成這一任務(wù)的就是泵浦源泵浦源可以是普通光源，也可以加電壓，還可以碰撞轉(zhuǎn)移或化學(xué)方法。第一代激光器（以具有代表性的三能級系統(tǒng)的紅寶石激光器)諧振腔它由放置在激光工作物質(zhì)兩端的兩個(gè)反射鏡組成，其中一個(gè)是全反射鏡，另一個(gè)是半反半透（輸出鏡）復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容激光產(chǎn)生的首要條件是什么？具有什么樣的原子結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么稱之為激活粒子？要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件是什么？寫出激光器的基本組成：駐波兩個(gè)頻率相同，振動(dòng)方向相同而傳播方向相反的單色光波，例如垂直入射到兩種介質(zhì)分界面的單色光波與反射波的迭加，產(chǎn)生駐波。三光學(xué)諧振腔工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡諧振腔長度：諧振腔的作用：（1）維持光振蕩，起到光放大作用。（2）使激光產(chǎn)生極好的方向性。（3）使激光的單色性好。激光的產(chǎn)生機(jī)理光學(xué)諧振腔的作用在外界激勵(lì)下，諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)產(chǎn)生受激輻射。在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射、往復(fù)通過已實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進(jìn)的該頻率的光得到放大，該過程稱為光振蕩。這是一種雪崩式的放大過程，使諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增強(qiáng)，能量密度大大增強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自發(fā)輻射。這種受激的輻射光從部分反射鏡輸出，即是激光。沿其他方向傳播的光很快從側(cè)面逸出諧振腔，不能被繼續(xù)放大；而自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率也得不到放大。因此從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。激光的產(chǎn)生機(jī)理光學(xué)諧振腔復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是激光產(chǎn)生的工作物質(zhì)？什么是泵浦源？諧振腔起什么作用？激光的產(chǎn)生機(jī)理光學(xué)諧振腔的主要形式：按不同的方法分類可分為球面腔和非球面腔，兩鏡腔和多鏡腔，高損耗腔和低損耗腔，端面反饋腔和分布反饋腔，折疊腔和環(huán)形腔等等，但各種復(fù)雜腔都可以化為等效的兩鏡腔。常用的激光兩鏡腔的主要形式有：激光的產(chǎn)生機(jī)理諧振腔的穩(wěn)定性條件：諧振腔的g參數(shù)定義為：式中，r1、r2

——分別為兩個(gè)反射鏡的曲率半徑，凹面向腔內(nèi)時(shí)為正，凸面向腔內(nèi)時(shí)為負(fù)；L——為兩個(gè)反射鏡間的距離。即腔長。諧振腔的穩(wěn)定性條件為：

0<g1g2<1而滿足g1g2＝0

和g1g2＝1

均為臨界腔。如：平面腔r1=r2=∞,滿足g1g2＝1，所以為臨界腔激光的產(chǎn)生機(jī)理諧振腔的諧振條件振幅條件：光在腔內(nèi)往返一次，由于激活介質(zhì)而得到的增益，必須大于或等于此期間光的全部損失(包括吸收、散射、衍射、反射及以激光形式輸出損失）式中，G(υ)——激活物質(zhì)增益系數(shù),R1、R2——兩腔鏡反射率α——激光在腔內(nèi)傳播時(shí)的損耗系數(shù)，L——激光器腔長相位條件：激光在腔內(nèi)往返一次相位的改變?yōu)?π的整數(shù)倍，即形成駐波，才能有穩(wěn)定的振蕩輸出。激光的產(chǎn)生機(jī)理諧振腔的閾值

把工作介質(zhì)放到諧振腔里，并且使介質(zhì)達(dá)到反轉(zhuǎn)狀態(tài)以后，只是說有可能產(chǎn)生激光。由于工作介質(zhì)內(nèi)部還存在散射、衍射等損耗，另外諧振腔的反射鏡對光也有吸收，而且還有一部分光要透出腔外，這對腔內(nèi)的激光振蕩來說也是一個(gè)損失。因此工作介質(zhì)的增益至少要高于某一最低限度，才足以克服損耗，產(chǎn)生振蕩，輸出激光。這就是激光振蕩的增益閾值條件。

激光輸出模式激光輸出有時(shí)是由許多獨(dú)立的頻率分量所組成，這些獨(dú)立的頻率分量稱為模式。它是在腔內(nèi)存在的，穩(wěn)定的光波基本形式。穩(wěn)定的含義：

1、有確定的頻率

2、振幅在空間的相對分布是確定的，不隨時(shí)間而改變

3、相位在空間的相對分布是確定的，不隨時(shí)間而改變氫元素光譜圖激光輸出模式振蕩模式通常用TEMmnq表示，下標(biāo)m、n、q分別取0、1、2、3…等整數(shù)。其中m、n為橫模數(shù),表示該模式在垂直于腔軸的平面內(nèi)的振幅分布情況。在直角坐標(biāo)系中m、n的數(shù)值分別是該模式在x軸和y軸上的節(jié)點(diǎn)數(shù)；在柱坐標(biāo)中m、n分別為徑向r和旋轉(zhuǎn)角θ向的節(jié)點(diǎn)數(shù)

q為縱模數(shù),表示沿腔軸形成的駐波節(jié)點(diǎn)數(shù)目m、n、q三者共同決定該模式的振蕩頻率cmnq

ν=++2abc222復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是駐波？駐波是如何形成的？寫出諧振腔的組成；諧振腔穩(wěn)定性條件是什么？其中L、r1r2分別代表什么諧振腔的諧振條件是什么？什么是諧振腔的閾值

激光器的縱模和橫模：1.激光的縱模：諧振腔不僅對光的方向有選擇性，還有選頻作用。設(shè)諧振腔長L，介質(zhì)折射率為n，波長為λ，形成駐波，滿足：諧振頻率由激光器輸出的每一個(gè)諧振頻率稱為一個(gè)縱模。

考慮了激活介質(zhì)輻射的線寬和諧振頻率的間隔，只有幾個(gè)諧振頻率得到光放大形成激光，這就是諧振腔的選頻作用，使激光的單色性很好。

激光器的縱模和橫模：1.激光的縱模：實(shí)際振蕩縱模數(shù)。

ΔνT為激光工作物質(zhì)的增益線寬為達(dá)到單色性，可使激光器工作在閾值附近，或采用短腔激光器

ΔνTΔq=+1

Δνq橫膜激光器內(nèi)存在著保持穩(wěn)定不變的光場橫向分布，即在激光器的光束橫截面上保持穩(wěn)定不變的分布，這種分布稱為橫膜，用m、n表征。光在諧振腔內(nèi)振蕩形成為高斯光束m=n=0稱為基膜，m、n不同時(shí)為0時(shí)的橫膜稱為高階膜

高斯光束的振幅和強(qiáng)度分布1、振幅分布對基橫模TEM00——基模截面是高斯函數(shù)基橫模TEM00的光強(qiáng)2、光斑尺寸振幅下降為最大值1/e時(shí)的光斑半徑3、在縱截面上的表達(dá)式——光斑半徑隨z按照雙曲線規(guī)律變化。4、模體積意義：模體積大。對激活介質(zhì)能量的提取就大，對模式振蕩作貢獻(xiàn)的粒子數(shù)越多，就有可能獲得大的輸出功率。高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角基模遠(yuǎn)場發(fā)散角：雙曲線兩根漸近線之間的夾角：圖(3-8)基模光斑半徑隨z按雙曲線規(guī)律的變化

一般激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角都很小，約為10－2毫弧度，也就是表明激光具有很好的方向性。激光的橫模：在激光器的光束橫截面上，光強(qiáng)有一定的穩(wěn)定分布?；８呒墮M模軸對稱分布旋轉(zhuǎn)對稱分布激光橫截面幾種光斑圖形：這種光強(qiáng)橫向不同的穩(wěn)定分布稱為橫模。

橫模產(chǎn)生原因復(fù)雜，但是采用適當(dāng)措施，可以只輸出基橫模，基橫模各點(diǎn)相位相同，具有良好的空間相干性。典型激光模式TEM00又稱基模，常見于輸出功率700~3000WCO2激光器，主要應(yīng)用于激光切割。TEM01該模式也可用于激光切割或打孔，常見于輸出功率大于3000W的CO2激光器。多模該模式通常用于激光焊接和表面加工，常見于輸出功率大于5000～12000W的CO2激光器。復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是波長？為什么說諧振腔有維持光振蕩，起到光放大的作用？為什么說諧振腔有使激光產(chǎn)生極好的方向性的作用？為什么說諧振腔有使激光的單色性好的作用？

什么是激光縱模？如何調(diào)節(jié)諧振腔使激光的單色性更好？激光在諧振腔內(nèi)振蕩形成什么光束？高斯光束是什么形狀的？諧振腔的諧振條件是什么？什么是諧振腔的閾值波長波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)傳播的距離。它可以用相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離來表達(dá)。光斑半徑隨z按照雙曲線規(guī)律變化。橫波振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直。電磁波、光波就是橫波。偏振光光是一種電磁波，電磁波是橫波。而振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。布儒斯特定律多普勒效應(yīng)原理：由于原子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的變寬.多普勒效應(yīng)：一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的原子所發(fā)射出的光，若運(yùn)動(dòng)方向朝向觀察者(檢測器)，則觀測到光的頻率較靜止原子所發(fā)出光的頻率來得高(波長來得短)；反之，若運(yùn)動(dòng)方向背向觀察者，則觀測到光的頻率較靜止原子所發(fā)出光的頻率來得低(波長)方向上總有一定的分量，所以檢測器受到光的頻率(波長)總會(huì)有一定的范圍，因此譜線變寬。能級躍遷選擇定律

原子可以從一個(gè)量子態(tài)躍遷到另一個(gè)量子態(tài)，但是躍遷的幾率有大有小。在有些量子態(tài)之間，原子躍遷的幾率很大，稱為允許躍遷。在有些量子態(tài)之間，原子躍遷的幾率非常小，稱為禁止躍遷。選擇定則就指出了哪些躍遷是允許的，哪些躍遷是禁止的。輻射激發(fā)由于受激吸收而躍遷到激發(fā)態(tài)的原子回到基態(tài)時(shí)就可以發(fā)光?；氐交鶓B(tài)可以有兩種途徑直接回到基態(tài)，這是輻射的光子的頻率與吸收的光子的頻率一樣。稱為共振輻射。通過中間能級回到基態(tài)。如果在這個(gè)過程中發(fā)射輻射光，那么它的頻率必定比吸收的頻率低，這種現(xiàn)象稱為熒光氫燈，汞燈，鈉光燈這類氣體光源都是采用這種方式激發(fā)的。其激發(fā)機(jī)構(gòu)是，從陰極發(fā)射出來的電子，在電場作用下獲得動(dòng)能，具有很大動(dòng)能的電子與處在基態(tài)的原子碰撞時(shí)，電子把自己的能量傳遞給原子，使原子激發(fā)到高能級。一個(gè)處在基態(tài)的原子也可以通過跟另一個(gè)處在激發(fā)態(tài)的原子碰撞，使自己躍遷到激發(fā)態(tài)，而另一個(gè)原子則回到基態(tài)。兩種原子通過這種方式相互轉(zhuǎn)移激發(fā)能的過程叫做共振轉(zhuǎn)移。兩種原子的激發(fā)能的數(shù)值越接近，共振轉(zhuǎn)移的效率越高。在氦氖激光器中正是利用共振轉(zhuǎn)移Ne原子激發(fā)的。復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容什么是波長？什么是頻率？波長與頻率之間的關(guān)系是什么？什么是橫波？什么是偏振光，什么是線偏振光？

什么是布儒斯特定律？什么是多普勒效應(yīng)？什么是能級躍遷選擇定律？在輻射激發(fā)中什么是共振輻射？什么是共振轉(zhuǎn)移?布儒斯特定律自然光經(jīng)電介質(zhì)界面反射后，反射光為線偏振光所應(yīng)滿足的條件自然光在介質(zhì)界面上反射和折射時(shí)，一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光，只有當(dāng)入射角為某特定角時(shí)反射光才是線偏振光，其振動(dòng)方向與入射面垂直，此特定角稱為布儒斯特角或起偏角。此規(guī)律稱為布儒斯特定律。塞曼效應(yīng)在光譜分析里是指原子的光譜線在外磁場作用中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象。激光器的分類激光器的分類按工作物質(zhì)物相分按激活介質(zhì)粒子狀態(tài)分按激勵(lì)方式分按輸出波長分按輸出功率分根據(jù)工作物質(zhì)物相分類氣體激光器固體激光器液體激光器與其他分類的交叉液體激光器分子激光器準(zhǔn)分子激光器氣體激光器原子激光器離子激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器氣體激光器氣體激光是目前種類最多、應(yīng)用最廣泛的一類激光器，它具有容易連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換效率高、工作物質(zhì)豐富、工作物質(zhì)均勻性較好，使得輸出光束的質(zhì)量較高；相干性好、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，如二氧化碳激光器可達(dá)萬瓦級的功率輸出；發(fā)射的譜線分布在一個(gè)很寬的波長范圍內(nèi)，幾乎遍布了從紫外到遠(yuǎn)紅外的整個(gè)光譜區(qū)(已經(jīng)觀測到的譜線有萬余條)；因此，廣泛地用作準(zhǔn)直導(dǎo)向、計(jì)量基準(zhǔn)、材料加工以及作為全息照相、激光光譜學(xué)的相干光源等。氣體激光器氣體激光器——原子激光器，分子激光器，離子激光器，準(zhǔn)分子激光器。原子激光器：產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，以氦—氖激光器為代表，這種激光器大都是連續(xù)工作方式，輸出功率在100毫瓦以下，多用于檢測和干涉計(jì)量。離子激光器：以氬離子激光器為代表，這種激光器可以發(fā)射較強(qiáng)的連續(xù)功率激光，功率可達(dá)幾十瓦，是可見光中的重要激光器件，多用于掃描，醫(yī)學(xué)及全息學(xué)等方面。分子激光器：產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，以

CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機(jī)械加工方面，還用于測距，通信。準(zhǔn)分子激光器：特點(diǎn)—發(fā)光都在紫外波段。用途—多用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。原理—不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵(lì)時(shí)，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。一般結(jié)構(gòu)內(nèi)腔式外腔式半外腔式內(nèi)腔式圖（c）組成光學(xué)諧振腔的兩個(gè)反射鏡緊貼在放電管的兩端；內(nèi)腔式將諧振腔的兩反射鏡調(diào)整好后，用膠固定在放電管的兩端，其優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便。缺點(diǎn)是在工作過程中放電管受熱變形時(shí),諧振腔反射鏡會(huì)偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管的長度一般不超過一米。而且當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無法清除。外腔式圖（a）中組成光學(xué)諧振腔的兩個(gè)反射鏡與放電管完全分開裝架，在這種形式中，光從放電管的端面射出再被反射到管內(nèi)，需要經(jīng)過放電管表面四次。為了減少反射損失，可使光在窗片上的入射角等于布儒斯特角。這樣，對于TM波（電場振動(dòng)方向與入射面平行，磁場振動(dòng)方向與入射面垂直的波），在窗表面上不反射，猶如沒有窗片一樣，可以暢通無阻，從而在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩。而對TE波（電場方向與入射面垂直的波），在窗表面上反射損失很大，不能形成振蕩。因此，從外腔式氣體激光器射出的激光是電矢量與入射面平行的線偏振光——TM波。外腔式這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離的。反射鏡上有調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。諧振腔與放電管分離，放電管的熱變形對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。但由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便.半外腔式圖（b）中諧振腔的兩個(gè)反射鏡，一個(gè)緊貼放電管的一端，別一