丘志仁《激光原理与技术》激光原理与技术-整理版.doc

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(ν OR λ) 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：NAcosΘdΩ 5． 朗伯定律：当辐射通量密度N不依赖方向时，表面总辐射W=πNA 6． 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： 2． 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 3． 热平衡状态下三个基本过程所占比率 非简并时 与普朗克定律比较有： §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： （5） 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 第二章 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 （1） 谐振腔的时间常数 （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） 由于光谱自然加宽 结论：越窄，Q值越高，单色性越好！ 2． 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 3． 谐振腔的模式场图TEMmnq; TEMpl 4． 谐振腔参数计算------光斑直径、模体积、光束发散角 （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（） 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， （2） 光束发散角 光束半顶角（发散角） （3） 模体积 激光输出功率正比于模体积 （4） 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 5． 谐振腔的模频谱和谱线加宽与宽度 （1） 谐振腔的模频谱 (a) 陶思羽曲率半径腔 (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： 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 6． 输出镜最佳透过率 第三章 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