激光原理 - 激光器設(shè)計方法前沿科技概覽

激光原理Optoelectronics,

Summer

2015What

is

Laser?

Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation

什么是受激輻射？Optoelectronics,

Summer

2015激光產(chǎn)生的基本原理原子發(fā)光的機理原子的結(jié)構(gòu)丹麥物理學家玻爾Bohr,NielsOptoelectronics,

Summer

2015玻爾原子理論的三條假定：(1)定態(tài)假定：存在一系列原子定態(tài)，處在定態(tài)中的電子雖做軌道運動，但不發(fā)射電磁波；(2)角動量量子化：定態(tài)運動電子的角動量量子化，其值只能為h／2π的整數(shù)倍；(3)躍遷假定：僅當原子中的電子從一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時，才能發(fā)射或吸收一個相應的光子。Optoelectronics,

Summer

2015量子躍遷是量子力學的最基本概念2.1.3

原子發(fā)光的機理輻射光能量

躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。輻射躍遷：

高能級E2吸收光能量

h

E2

E1

低能級E1

《輻射的量子理論》Optoelectronics,

Summer

2015激光產(chǎn)生的基本原理

受激輻射概念的提出輻射光能量

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，這是為什么呢？？

高能級E2吸收光能量

h

E

2

E1

低能級E1A21

(

)sph

E2

E1

A21

1

SA21

原子在能級

E2的平均壽命（熒光壽命）h

2.2.1

自發(fā)輻射

E2

E1

發(fā)光后

發(fā)光前

自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）：

dn21

1

dt

n2

只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場無關(guān)。如果存在向多個下能級的躍遷，則熒光壽命縮短如果同時存在非輻射躍遷，則壽命也縮短。

Optoelectronics,

Summer

2015

1

Ani

ns

W12

(

)sth

E2

E1B12：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)

只與原子本身性質(zhì)有關(guān)Optoelectronics,

Summer

2015與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)2.2.2

受激吸收

E2

E1

吸收前受激吸收躍遷幾率：h

吸收后

dn12

1

dt

n1

W12

B12

Optoelectronics,

Summer

2015要達到熱平衡，還必須存在另一種輻射?。?！受激輻射2.2.3

受激輻射1

當外來光子的頻率滿足h

E

2

E

時，使原子中處于高能級的電子在外來

光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。

受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)（光波模式），具有相同頻率、相位、波矢、偏振。受激輻射的光是相干光。E2E1發(fā)光前h

h

h

發(fā)光后

h

E2

E1受激輻射躍遷幾率：dn21

1

)st

dt

n2W21

(W

21

B21

與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)

B21

：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù),只與原子本身性質(zhì)有關(guān)Optoelectronics,

Summer

2015n2

f2

(EKTE1)f1、f2

——能級E1

的簡并度，E2

——各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）n1、n2玻爾茲曼統(tǒng)計分布：

熱平衡狀態(tài)：輻射率

吸收率

en1

f1

和

或稱統(tǒng)計權(quán)重（輻射場總光子數(shù)保持不變）

n2A21

n2B21

n1B12

Optoelectronics,

Summer

20152.2.4

愛因斯坦三系數(shù)A21、B21、B12的相互關(guān)系

當光與原子相互作用時，總是同時存在這三種過程.?

incoherent?

very

monochromatic?

can

be

extremely

intense

1.4

?

spectrally

broad

?

divergent

發(fā)散

?

can’t

be

focused

tightly

?

not

very

intense

非相干

What

is

needed

?Optoelectronics,

Summer

2015Laser

characteristics

單色

?

does

not

diverge

as

fast

?

can

be

focused

tightly

干涉

?

spatial

coherence

(interference)

?

temporally

coherent

(beat

notes)

More

generally:

?

gain

medium

增益物質(zhì)（激活物質(zhì)）：單光

?

pump

->

far

from

thermal

equilibrium

泵浦源（激勵源）：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

?

feedback

(resonator,

mirrors,

cavity)

反饋（諧振器，鏡子，腔）：光束的選擇性激光的

單色性比普通光高

10Optoelectronics,

Summer

20151.

Monochromaticity

單色性倍.10單色性最好的氪燈Kr86

Δ

=4.7×10-3

nm

穩(wěn)頻He—Ne激光器

9

精密度儀器測量激勵某些化學反應Optoelectronics,

Summer

2015Linewidth

線寬1.

Monochromaticity

單色性

2.

Coherent

相干性l時間相干性好（

～10

-

8埃），相干長度可達幾十公里。l空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。

全息照相Optoelectronics,

Summer

2015信息技術(shù)……Optoelectronics,

Summer

2015Condition

Coherence：相干The

equal

vibrate

direction振動方向相同**k

=-2IThe

equal

frequency

頻率相同The

constant

phase

difference

相位差恒定

x

k

=+2k

=+2

k

=+1

xk

=+1

k

=0

k

=-1

k

=-1

k

=-2

x4I1xyZ

Coherence

To

first

order,

for

any

em

wave,

we

can

introduce

two

concepts

of

coherence,

namely,

spatial

and

temporal

coherence.

對于一階光，任意的電磁波，我們都可以引入兩種相干的

概念：空間相干性和時間相干性不同原子發(fā)出的波列

單色光的波列Optoelectronics,

Summer

2015波列的疊加

spatial

coherence

：空間相干性

To

define

spatial

coherence,

let

us

consider

two

points

P1

and

P2

that,

attime

t=0,

lie

on

the

same

wave

front

of

some

given

em

wave

and

let

E1(t)

andE2(t)

be

the

corresponding

electric

fields

at

these

two

points.

By

definition

the

difference

between

phases

of

the

two

fields

at

time

t=0is

zero.

If

this

difference

remains

zero

at

any

time

t>0,

we

say

that

there

is

aperfect

coherence

between

the

two

points.

P1

(t=0,

Pi)

(t>0,

Pi/2)Optoelectronics,

Summer

2015P2(t=0,

Pi)

(t>0,

Pi/2)完全相干Optoelectronics,

Summer

2015

temporal

coherence,

時間相干

To

define

temporal

coherence,

we

now

consider

the

electric

field

of

theem

wave,

at

a

given

point

p,

at

time

t

and

time

t+tx,

for

a

given

time

delay

tx,the

phase

difference

between

the

two

field

remains

the

same

for

any

time

t,we

say

that

there

is

a

temporal

coherence

over

a

time

tx.P1

(t=0,

Pi)P2

(t=t+x)Optoelectronics,

Summer

2015

空間相干性：在同一光源形成的光場中，不同地點同一時刻的光之間的相干性。這個概念可用相干面積,相干長度來量度。

時間相干性：在同一光源形成的光場中，同一地點不同時刻的光之間的相干性。它實質(zhì)上是指相位的相關(guān)性能夠維持的時間。在這類問題中，常常引進所謂相干時間這個概念。在數(shù)量級上，相干時間是光波頻率寬度

v的倒數(shù)Optoelectronics,

Summer

20153.

Directionality

一束激光射到~38萬km的月

球上，光斑的直徑只有~2km

手電筒的光射到~m處，

擴展成很大的光斑。

利用激光準直儀可使長為2.5km的隧道掘進偏差不超過16nm.

激光準直、導向和測距Optoelectronics,

Summer

2015激光在屏上形成的小光斑，有極大的照度

太陽表面的亮度比白熾燈大幾百

倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽

表面的亮度大10億倍。激光是當今世界

上高亮度的光源。

4.

Brightness激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高Optoelectronics,

Summer

2015

亮度->能量

激光的能量在空間上、在時間上高度集中

光能量不僅在空間上高度

集中，同時在時間上也可

高度集中，因而可以在一

瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，

激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機和導彈的激光武器Optoelectronics,

Summer

201524光纖通信用光源：短距離通信用0.85um；長距離通信用1.31um，1.55um

激光應用簡介1.

激光在通信領(lǐng)域的應用

光纖中傳送的是一系列經(jīng)過編碼的激光脈沖。

關(guān)鍵技術(shù)：光纖技術(shù)、激光器

目前光通信的發(fā)展方向是全光網(wǎng)絡，即信息從源節(jié)點到目的節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)全光透明傳輸?shù)木W(wǎng)絡。全光網(wǎng)中的網(wǎng)絡節(jié)點在光域中處理信息、交換、路由等都在光域完成。Optoelectronics,

Summer

2015

2.

激光在信息領(lǐng)域的應用

激光在信息領(lǐng)域的應用，除了以激光為信息載體將聲音、圖像、數(shù)據(jù)等各種信息進行傳輸?shù)募す馔ㄐ胖?，還包括通過激光將信息進行存儲，以及通過激光將信息打印或顯示出來等等。

laser

printers25CD

playersbarcode

scanners/cd.htm#Optoelectronics,

Summer

20153.

激光在工業(yè)領(lǐng)域的應用

激光的高單色和高亮度，使它成為精密計量的一種十分

有效的工具。又由于激光單色性好、發(fā)散角小，能夠在透鏡

的焦點處聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物體上的

某一點，便可對被物體進行高溫加熱、切斷、焊接及熔覆等

加工。激光還可以對材料進行非接觸式處理或探測。因為沒

有表面接觸，不會產(chǎn)生由探測射線所引起的污染，也不會引

起器具邊緣的磨損，而掃描性好的特點又使其可在大面積范

圍內(nèi)進行工作。Optoelectronics,

Summer

201527

4.

激光在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用

激光技術(shù)為醫(yī)學診斷和疾病治療提供了新方式：激光手術(shù)刀、視網(wǎng)膜凝固治療、激光美容、OCT、激光熒光光譜診斷等。利用激光可聚焦成微米或納米級光斑的特點，可以進行顯微細胞外科手術(shù)、測量人體DNA分布、基因轉(zhuǎn)移、DNA裁剪和基因定位、促進DNA合成、細胞融合等。在酶工程和發(fā)酵工程等生物技術(shù)中，激光也得到了重要應用。corrective

eye

surgeryremoving

blemishesgallbladder

surgeryusing

fiber

opticsOptoelectronics,

Summer

201528

5.

激光在國防科技領(lǐng)域的應用

激光作為武器在軍事上應用的形式千變?nèi)f化，但是基本上可以分為三個主要部分：追蹤、尋的系統(tǒng)（即正確判定攻擊目標的位置和性質(zhì)的系統(tǒng)）；發(fā)射實施摧毀性打擊的高能激光系統(tǒng)；輔助的控制和通信系統(tǒng)。激光摧毀導彈激光制導

激光武器是利用高能量密度激光束代替子彈的新型武器，是武器裝備發(fā)展歷程中繼冷兵器、火器和核武器等之后又一個重要里程碑。它以光束作戰(zhàn)的迅速反應能力，外科手術(shù)式殺傷的高效作戰(zhàn)方式。以及特別適合于反衛(wèi)星和破壞敵方信息系統(tǒng)，使其成為新一代主戰(zhàn)兵器。

29

Optoelectronics,

Summer

2015Laser

一、激光偵測1）激光警衛(wèi)光電探測器

夜色降臨，海面上有一無形的，視而不見，觸而不覺的哨

兵--紅外激光探測器監(jiān)視著海面，當有不速之客到來，光

線擋斷，光電探測器探測不到激光而進行聲光報警Optoelectronics,

Summer

2015Laser激光的軍事應用Optoelectronics,

Summer

2015記時器電源放大器光電轉(zhuǎn)換2）激光測距

主要構(gòu)造：

激光發(fā)射器；

激光接收器；

電源和顯示裝置。

原理：

激光發(fā)射器；

Laser

激光接收器；器射向目標12ct距離顯示器

L

參考光

來自目標100

m

4）激光光纖通信

讓載有信號的激光束通過光導纖維傳輸至對方

以實現(xiàn)通信的方法。皮

光導纖維

50

m光纜光放大器光纜

杭州Optoelectronics,

Summer

2015傳導原理：全反射軍事目標1）激光波束（駕束）制導裝置：A--激光照射器；

B--導彈發(fā)射器；

C--尾部帶有激光接

收器的制導導彈。

制導原理：C

A

BOptoelectronics,

Summer

2015激光駕束制導優(yōu)點：系統(tǒng)小巧、輕便、適用于單兵使用；缺點：技術(shù)難度大。激光器向目標照射激光,導彈發(fā)射器發(fā)射導彈，導彈尾部激光接收器接收激光束信號，依接收的信號強弱使導彈保特在激光束中，直至命中目標。

B

Optoelectronics,

Summer

2015彈體導引頭控制74

5

6

82）半主動式激光制導

構(gòu)造：

A）激光照射器

B）導彈發(fā)射器

C）裝有“尋的器”的導彈

1

2

3

1--濾光器；

2--透鏡；

3--光敏遠件；

4--放大器

5--計算器；

6--自動駕駛儀；7--舵面伺服儀。８－電源

Optoelectronics,

Summer

2015Optoelectronics,

Summer

2015導引頭控制74

5

6

81

2

3

彈體四象限器

發(fā)出糾偏信號，改變導彈飛行

方向，指向目標。導彈保特原飛行方向

發(fā)出糾偏信號，改變導彈飛行

方向，指向目標。Optoelectronics,

Summer

20153）全主動式制導

激光照射器與目標尋的器均裝在導彈彈體上。作戰(zhàn)時，激光照射器向目標照射激光，目標尋的器接收目標反射來的激光信號，將導彈導向目標。目前尚不很成熟！Optoelectronics,

Summer

20152.3激光產(chǎn)生的原理

激光產(chǎn)生的條件2.3.1

受激輻射光放大

受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的外來光子具有相同

的特征（頻率、相位、振動方向及傳播方向均相同）。E2E1h

h

h

相干光（激光）光放大

nW21

B21

h

KT受激輻射與受激吸收的矛盾

受激輻射：光子數(shù)

粒子數(shù)正常分布：受激吸收：光子數(shù)

n1

n2B21

B12

n2

1

1

E2

E1n2W21

nW12光強減弱1e

c3

8

h

R

A21

A21

1例：T=300K時，R

10

35

在熱平衡情況下，光波輻射以自發(fā)輻射為主。Optoelectronics,

Summer

2015另：受激輻射與自發(fā)輻射關(guān)系：

e

1

2

N1N2

E

E

kTE2

E1

受激吸收占優(yōu)勢，發(fā)生其他兩種過程的幾率很小。Optoelectronics,

Summer

2015n1

n2

激光產(chǎn)生的基本原理要素一：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

克服受激輻射和受激吸收的矛盾

1.

粒子數(shù)正常分布

玻爾茲曼統(tǒng)計分布：2.

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）E2

E1受激輻射占優(yōu)勢，光通過工作物質(zhì)后得到加強，獲得光放大。n1

n2泵浦（Pumping）：

（抽運、激勵）E1E2

激光產(chǎn)生的必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激活物質(zhì)：處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)。

另外，激輻射大大超過自發(fā)輻射，使輸出為相干光。Optoelectronics,

Summer

2015外界向物質(zhì)提供能量

通過中間環(huán)節(jié)使得受激輻射占優(yōu)勢2.3.3.

激活粒子的能級系統(tǒng)

激活粒子：能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子。（可以是原子、分子、離子、準分子）

基質(zhì)：為激活粒子提供寄存場所的材料。激光工作物質(zhì)

1.

二能級系統(tǒng)

二能級系統(tǒng)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布Optoelectronics,

Summer

2015

WA21

Wn2n12.

三能級系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)：不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)要穩(wěn)定得多（壽命較長）

具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。He，Ne，Ar，Nd2O3，CO2如：3E

E1

紅寶石中鉻離子能級圖Optoelectronics,

Summer

2015E2例：紅寶石：在人工制造的剛玉（

Al2O3）中，摻入少量

鉻離子（Cr3

）構(gòu)成晶體。起發(fā)光作用的是鉻離子。

亞穩(wěn)態(tài)（激光上能級）

產(chǎn)生激光基態(tài)（激光下能級）泵浦激發(fā)態(tài)

非輻射躍遷EnergyE2

10

s

Optoelectronics,

Summer

2015E1E3

10

8s

受激吸收

泵浦E3

3無輻射躍遷放出能量形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N1

N

2E2E1受激輻射發(fā)出激光E1E2E3Laser

RadiationNFast

transitionAbs.Energy3.

四能級系統(tǒng)(a)

Nd:YAG激光器E1E2E3Laser

RadiationN

Fast

transitionAbsorptionE4Fast

transition(b)氦氖激光器

四能級系統(tǒng)激光下能級是激發(fā)態(tài)，不是基態(tài)，粒子數(shù)很少甚至沒有，所以很容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，泵浦能量較低。

Optoelectronics,

Summer

2015Optoelectronics,

Summer

2015設(shè)想有長度足夠大的激活介質(zhì)：自發(fā)輻射為主受激輻射為主B21

A

21

不斷增大

思考問題：僅僅滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生激光嗎？

No！不能維系！

若一直維系粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要無限長的激活介質(zhì)！！Optoelectronics,

Summer

2015M1M2M1M2M1M2全反射鏡部分反射鏡光學諧振腔Optoelectronics,

Summer

2015光學諧振腔的構(gòu)成：

工作物質(zhì)兩塊反射鏡：相互平行，與工作介質(zhì)軸線垂直，平面或球面諧振腔對光束的方向選擇性：

平行于軸線：放大加強偏離軸向：逸出腔外激光具有高度方向性激光光束全反射鏡部分反射鏡要素二.

光學諧振腔

光學諧振腔的作用：1.

增加工作介質(zhì)的有效長度，使受激輻射過程成為主導；2.

維持光振蕩，輸出穩(wěn)定激光束；3.

對光束方向性加以選擇，獲得高度方向性的激光；

4.

選擇激光頻率。

思考問題：若同時滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光學諧振腔，可以產(chǎn)生激光嗎？？Optoelectronics,

Summer

2015Optoelectronics,

Summer

2015

要素三.

增益條件：增益大于損耗（1）

增益系數(shù):

描述光放大作用的大小光放大作用：

受激輻射幾率

>

受激吸收幾率輸出光能量

>

入射光能量激活物質(zhì)＝光放大器①小信號增益系數(shù)（I(z)很小時成立）：

I(z)

I0eg0zI0——z

0

處的初始光強②大信號增益系數(shù)：g0

I(z)

Isg(I)

1

Is——飽和光強（決定于增益介質(zhì)的性質(zhì)）I(z)

I

sg(I

)

g

0g

g00zz)I(zI(z)I0

I0ImIm0

0z

z（2）

損耗系數(shù)

；I0e(g0

)z起初——小信號放大規(guī)律：I(z)

I(z)增加——大信號放大規(guī)律：g(I)

減小，I(z)

增長變緩；

g(I)

——

I(z)達到穩(wěn)定極限值

Im

。

Im只與放大器本身參數(shù)有關(guān)，與初始光強無關(guān)。

Optoelectronics,

Summer

20150

光通過單位長度激活物質(zhì)后光強衰減的百分比。（3）

激光器中光強變化規(guī)律

微弱光

I進入光放大器：

損耗的原因：衍射、散射、透射、吸收等dI(z)

1

dz

I(z)要素三.

增益條件g

0(g0

)zI(z)

I0e

I0自激振蕩：當激光工作物質(zhì)滿足振蕩條件時，不管初始

光強

I0

多么微弱，在光學諧振腔中總能形

成確定大小的光強

Im

Optoelectronics,

Summer

2015

要素三.

增益條件：增益大于損耗（4）

振蕩條件（閾值條件）

激光器實現(xiàn)振蕩所需要的最低條件Optoelectronics,

Summer

2015

激光產(chǎn)生的基本原理總結(jié)：激光產(chǎn)生的條件必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，諧振腔充分條件：閾值條件，增益飽和①

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)②

光學諧振腔③

增益大于損耗受激輻射占主導

受激輻射得以維系

放大得以實現(xiàn)激光工作物質(zhì)激光輸出全反射鏡部分反射鏡

2.4

激光器的基本結(jié)構(gòu)與分類2.4.1

激光器的基本組成與分類

通常激光器都是由三部分組成：

激光工作物質(zhì)、泵浦源、光學諧振腔

泵浦源

2.4.2

激光工作物質(zhì)

用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益介質(zhì)。

Optoelectronics,

Summer

2015

氣體激光器氣體放電激勵示意圖Optoelectronics,

Summer

2015

對激光工作物質(zhì)的要求：盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去。

泵浦源作用：對激光工作物質(zhì)進行激勵，將激活粒子

從基態(tài)抽運到高能級，以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦方式：1.

光泵浦；2.

氣體放電激勵3.

化學激勵4.

電子注入，一段空心介質(zhì)波導管

按照腔鏡的形狀和結(jié)構(gòu)Optoelectronics,

Summer

2015光學諧振腔的構(gòu)成和分類閉腔：固體激光材料，光線在側(cè)壁發(fā)生全內(nèi)反射氣體波導腔：兩塊反射鏡構(gòu)成：在激活物質(zhì)兩端恰當?shù)胤胖脙蓚€反射鏡。分類：

開腔：側(cè)面無光學邊界3.1.1

光學諧振腔的構(gòu)成和分類球面腔和非球面腔

腔內(nèi)是否插入透鏡之類的光學元件，或者是否考慮腔鏡以外的反射表面

簡單腔和復合腔

根據(jù)腔中輻射場的特點駐波腔和行波腔

根據(jù)反饋機理的不同端面反饋腔和分布反饋腔

根據(jù)構(gòu)成諧振腔反射鏡的個數(shù)兩鏡腔和多鏡腔3.1.2

典型開放式光學諧振腔1.平行平面腔:

兩塊互相平行且垂直于激光器光軸的平面鏡

激光技術(shù)發(fā)展歷史上最早提出的光學諧振腔，這種裝置在光學上稱為法布里—

珀羅干涉儀，簡記為F—P腔。

這種腔的特點是可以充分利用激活介質(zhì)，使光束在整個激活介質(zhì)體積內(nèi)振蕩。缺點是衍射損耗大，對準精度要求高。

Optoelectronics,

Summer

20152L2.

對稱共焦腔

組成：兩塊相距為L，曲率半徑分別為R1和

R的凹面反射鏡，

且

R

1

R2

。即兩凹面鏡，曲率半徑相同且焦點在腔

中心處重合。R1

LR1

L這種結(jié)構(gòu)的諧振腔在腔中心對光束有弱聚焦作用；

對準靈敏度低，易于裝調(diào)；衍射損耗低。介質(zhì)利用率低。Optoelectronics,

Summer

20152一般共焦腔：

L

R1

R2共焦腔：R

1

R2

L

若兩反射鏡曲率半徑相等，則兩凹面鏡曲率中心在腔中心重合，為對稱共心腔。2.共心腔

組成：兩塊相距為L，曲率半徑分別為

R1

和

R2

的凹面反射

鏡，且

R1

R2

L

。即兩凹面鏡曲率半徑相同且焦點在

腔內(nèi)重合。

L

2特點：對準精度要求低，裝調(diào)容易；衍射損耗低。

不能充分利用激光介質(zhì)；容易損害腔內(nèi)器件Optoelectronics,

Summer

2015非對稱對稱2.平凹腔

組成：相距為L的一塊平面反射鏡和一塊曲率半徑為R的

凹面反射鏡R1

R2

LR1

R2

2L

當

R

2L

，稱為半共焦腔特點：衍射損耗低，易于裝調(diào)，成本低，大多數(shù)氦氖激光器

采用這種腔型。對于固體激光器，可直接在晶體端面

鍍膜，成為平面鏡。

此外，還有雙凸腔、平凸腔、凹凸腔等，以及由多個反射鏡

構(gòu)成的折疊腔、環(huán)形腔等。

Optoelectronics,

Summer

2015確定模式特征3.2

激光模式

模式：諧振腔內(nèi)可能存在的電磁場本征狀態(tài)

（振蕩頻率和空間分布）

縱模：沿光軸方向的光強分布；

橫模：垂直于光軸的橫截面上的光強分布。M1M1M2M2

腔的結(jié)構(gòu)3.2.1

駐波與諧振頻率

當激光器處于振蕩狀態(tài)，激光器內(nèi)部兩個方向傳播的光疊加成為滿足一定相位條件的駐波。

Optoelectronics,

Summer

20152L

第三章光學諧振腔與激光模式頻率、振幅、振動方向均相同的兩列波在同一直線上沿相反方向傳播時，相干形成駐波。M1M2

M1

M2

M1

:

2

q

2

0

L

L

0q

2L

q

駐波條件：

c

c

2L

2

LOptoelectronics,

Summer

2015對于腔內(nèi)介質(zhì)分段均勻的情況，例如腔內(nèi)除激光介質(zhì)外其余部分為空氣，則有

L

ni

Li腔長為半波長的整數(shù)倍。

c2

L

q

q

整數(shù)

q

所表征的腔內(nèi)縱向穩(wěn)定場分布縱模間隔：

c2

L

q

q

1

q

3.2.2

縱模

由整數(shù)

q所表征的腔內(nèi)縱向的穩(wěn)定場分布稱為激光的縱模。

q稱為縱模的序數(shù)，不同縱模相應于不同的q值，對應不同的

諧振頻率。對于腔內(nèi)介質(zhì)分段均勻的情況，

nL用

niLi代替

縱模在頻率尺度上是等距離的，腔長越小，縱模間隔越大。

Optoelectronics,

Summer

2015Optoelectronics,

Summer

2015

滿足諧振條件的諧振頻率很多，但由于粒子發(fā)光的熒光譜線寬度有限，必須落在熒光線寬內(nèi)而且滿足諧振條件的縱模才能形成激光輸出。

由于波長很小，腔長相對很大，整數(shù)q值很大，即腔內(nèi)波

腹數(shù)很多，達數(shù)萬到數(shù)十萬個波腹。

理想情況下，一個縱模對應一個諧振頻率值，實際上由于腔的損耗，

每一個縱模都具有一定寬度:Optoelectronics,

Summer

2015

例：He－Ne激光器，

1，當L

10cm

和L

30cm時，

激光器中分別可能出現(xiàn)幾種頻率的激光？

14

熒光光譜增益線寬

F

1.5

109Hz）解：L

30cm

F

q

q

1

q

q

1

q

2

q

2

q

1樣的熒光譜線寬度內(nèi)可容納的縱模數(shù)越多。

q

0.5

109

Hz

三種頻率（多縱模）

結(jié)論：

1.工作原子（分子、離子）自發(fā)

輻射的熒光線寬

F

越大，可

能出現(xiàn)的縱模數(shù)越多。

q

1

2.

激光器腔長

L越大，相鄰縱

模的頻率間隔

q越小，因而同m——x方向節(jié)線數(shù)3.2.3

橫模

諧振腔內(nèi)的光波在垂直于光軸的橫截面內(nèi)的電磁場分布。每一種橫模對應一種橫向的穩(wěn)定場分布，用

TEMmnq

標記，q很大，通常不寫出來。

軸對稱：旋轉(zhuǎn)對稱：

對于軸對稱：n——角向節(jié)線數(shù)對于旋轉(zhuǎn)對稱：

m——徑向節(jié)線數(shù)

實際出現(xiàn)的是多種模式的疊加。

Optoelectronics,

Summer

2015

兩種模式疊加n——y方向節(jié)線數(shù)自再現(xiàn)模（橫模）：在腔反射鏡面上經(jīng)過一次往返傳播后能“自再現(xiàn)”的穩(wěn)定場分布，相對分布不受衍射影響。

Optoelectronics,

Summer

2015

橫模的形成

2a

L鏡邊緣的衍射效應：損失能量，引起能量分布的變化。Optoelectronics,

Summer

2015

縱模和橫模各從一個側(cè)面反映了諧振腔內(nèi)穩(wěn)定的光場分布，只有同時運用縱模和橫模概念，才能全面反映腔內(nèi)光場分布。

不同縱模和不同橫模都各自對應著不同的光場分布和頻

率，但不同縱模光場分布之間差異很小，不能用肉眼觀察到，

只能從頻率的差異區(qū)分它們；不同的橫模，由于其光場分布

差異較大，很容易從光斑圖形來區(qū)分。應當注意，不同橫模

之間，也有頻率差異，這一點常被人們忽視。Optoelectronics,

Summer

2015激光器的分類一、按照激光工作物質(zhì)分類

1．氣體激光器

2．固體激光器3．液體激光器4．自由電子激光器5．半導體激光器6．光纖激光器二、按照激光器工作方式分類1．連續(xù)輸出激光器（連續(xù)、準連續(xù)）

2．脈沖輸出激光器（單次、重復）三、其它方式分類調(diào)Q激光器、鎖模激光器、穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器等Optoelectronics,LASER

HAZARD

CLASSESLaser-P

Summer

2015Lasers

are

classified

according

to

the

level

of

laserradiation

that

is

accessible

during

normal

operation.2015?

Safe

during

normal

use?

Incapable

of

causing

injury?

Low

power

or

enclosed

beam

CLASS

1CLASS

I

Laser

Product

Label

not

requiredMay

be

higher

class

during

maintenance

or

serviceOptoelectronics,

Summer

摻釹釔鋁石榴石

Nd:YAG

Laser

MarkerOptoelectronics,

Summer

2015CLASS

2Laser

RadiationDo

Not

Stare

Into

BeamHelium

Neon

Laser1

milliwatt

max/cw

CLASS

II

LASER

PRODUCT????Staring

into

beam

is

eye

hazardEye

protected

by

aversion

responseVisible

lasers

onlyCW

maximum

power

1

mWLaser

ScannersOptoelectronics,

Summer

2015Small

Beam

(Class

3R)Expanded

Beam

(Class

2M)CLASS

IIIa

Laser

ProductLASER

RADIATION-AVOID

DIRECT

EYE

EXPOSUREND:YAG

532nm5

milliwatts

max/CWCLASS

3R

(Formerly

3a)

?

Aversion

response

may

not

provide

adequate

eye

protection

?

CDRH

includes

visible

lasers

only

?

ANSI

includes

invisible

lasers

?

CW

maximum

power

(visible)

5

mWLaser

Pointers

Laser

Radiation-

Do

Not

Stare

Into

Beam

or

View

Directly

With

Optical

InstrumentsHelium

Neon

Laser5

milliwatt

max/cw

CLASS

IIIa

LASER

PRODUCTCLASS

3B?

Direct

exposure

to

beam

is

eye

hazard?

Visible

or

invisible?

CW

maximum

power

500

mW

LASER

RADIATION-AVOID

DIRECT

EXPOSURE

TO

BEAM

2w

ND:YAG

Wavelength:

532

nm

Output

Power

80

mW

CLASS

IIIb

Laser

ProductCourtesy

of

Sam’s

Laser

FAQ,

/sam/lasersam.htm,

?

1994-2004

Optoelectronics,

Summer

2015DPSS

Laser

with

cover

removedVISIBLE

LASER

RADIATION-AVOID

EYE

OR

SKIN

EXPOSURE

TO

DIRECT

ORSCATTERED

RADIATION

2w

Nd:YAG

Wavelength:

532

nm

Output

Power

20

W

CLASS

IV

Laser

Product?

Exposure

to

direct

beam

and

scattered

light

is

eye

and

skin

hazard?

Visible

or

invisible?

CW

power

>0.5

W?

Fire

hazard

Photo:

Keith

Hunt

-

www.keithhunt.co.ukOptoelectronics,

Summer

2015

Copyright:

University

of

Sussex,

Brighton

(UK)Class

4

CLASS

4Optoelectronics,LASER

SAFETY

EYEWEARLaser-P

Summer

2015Optoelectronics,

Summer

2015LASER

PROTECTIVE

BARRIERPhoto

courtesy

ofOptoelectronics,

Summer

2015Laser

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