激光原理及应用 全套课件PPT文档格式.pptx

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主编魏彪盛新志副主编朱永徐铁峰魏莹莹,激光原理及应用,思考和练习题第2章速率方程理论,5.3高斯光束的特性改善思考和练习题第6章典型激光器,思考和练习题,绪论,一、激光的发展简史二、激光的特点1.单色性与时间相干性2.方向性与空间相干性3.高亮度三、本课程的学习方法1.抓住基础和重点2.理解物理概念3.理论联系实际,第1章光和物质的近共振相互作用,1.1电磁波的吸收和发射1.1.1电介质极化一、电介质对电场的影响二、电介质的极化,图1.1.1电介质对电场影响实验,图1.1.2在外电场中的电介质分子,图1.1.3在外电场中的电介质分子1.1.2电偶极振子模型一、经典假设,二、谐振子自发辐射,1.1.3电磁波的受激吸收和介质色散一、入射电磁波对电偶极振子的影响,图1.1.4线性极化系数的实部和虚部随频率变化曲线,图1.1.5正常色散现象,二、介质色散,图1.1.6碘蒸气三棱镜的反常色散现象,图1.1.7碘蒸气三棱镜实验曲线,图1.1.9介质折射率变化曲线,图1.1.8介质折射率随频率变化趋势三、受激吸收,图1.1.10吸收光谱实验示意图,1.2电磁场吸收和发射的唯象理论1.2.1自发辐射,图1.2.1原子的两个能级跃迁,1.2.2受激吸收,1.2.3受激辐射,图1.2.2受激辐射,1.2.4爱因斯坦三个系数A21，B21，B12的相互关系,1.3光谱线加宽1.3.1吸收和发射光谱技术,图1.3.1分立光谱中作为摄谱仪入射狭缝的像的光谱线LQ光源L透镜S狭缝B屏,图1.3.2受激样品分子跃迁能级和对应谱线,图1.3.3太阳光谱中夫琅和费分立吸收线,图1.3.4原子（a）和分子（b）产生两种吸收光谱示意图,1.3.2谱线加宽和线形函数一、谱线加宽,二、线型函数,三、线宽,图1.3.5洛仑兹线型函数示意图,1.3.3谱线加宽对跃迁几率的影响,一、自发辐射过程,二、受激过程,1.原子和连续谱光辐射场的相互作用,图1.3.6原子和光场相互作用示意图,2.原子和准单色光辐射场相互作用,1.4激光器中常见的谱线加宽1.4.1光谱线加宽的类型一、均匀加宽二、非均匀加宽三、综合加宽,远大于均匀,

（1）。

@#@即非均匀加宽加宽的情形。

@#@,1.4.2均匀加宽的典型机制一、寿命加宽和自然加宽,远小于均匀,

（2）。

@#@即非均匀加宽加宽的情形。

@#@,图1.4.1测不准关系的影响,二、碰撞加宽,三、晶格振动加宽,图1.4.2晶体介质中加宽线宽与温度关系的实验曲线,1.4.3非均匀加宽的典型机制一、多普勒加宽,图1.4.3多普勒效应示意图,图1.4.4运动原子和光波场的相互作用示意图,图1.4.5气体分子运动统计分布,图1.4.6等宽度高斯型与洛仑兹型线型函数比较,二、晶格缺陷加宽1.4.4激光介质中的实际加宽一、气体介质,

（1）氦氖激光器,

（2）二氧化碳激光器,（3）Ar离子激光器和He-Cd金属蒸气激光器二、固体、液体介质,图1.4.7CO2激光器中10.6m光谱线线宽随气压的变化曲线,光和物质相互作用的近代理论简介,2.1典型激光器的工作能级2.1.1红宝石激光器工作介质,第2章速率方程理论,图2.1.1红宝石中涉及激光过程的Cr3+能级,图2.1.2红宝石中Cr3+能级跃迁图,2.1.2氩离子激光器工作介质,图2.1.3Ar+能级跃迁图,图2.1.4N2分子解级示意图,图2.1.5氦氖激光过程的原子能级示意图,图2.1.6YAG晶体中Nd3+的能级图,图2.1.7掺钛蓝宝石晶体中Ti3+r的能级图,图2.1.8CO2激发过程的分子振动能级示意图,2.2三能级系统单模速率方程组2.2.1激光三能级系统,图2.2.1激光三能级系统结构示意图2.2.2单模的速率方程组,2.3四能级系统单模速率方程组2.3.1激光四能级系统,图2.3.1激光四能级系统结构示意图2.3.2单模速率方程组,2.4小信号光的介质增益2.4.1反转粒子数与小信号增益系数,影响增益系数G的因素主要有以下几个方面。

@#@1.激发速率。

@#@,2.荧光速率。

@#@3.光电场频率。

@#@定义：

@#@介质增益随频率变化的曲线称为增益曲线。

@#@4.光谱线宽度。

@#@,5.气体激光器中，增益和介质的荧光谱线波长成反比。

@#@对于气体激光器，多普勒加宽2.4.2四能级系统的小信号增益系数,图2.4.1变化规律示意图,图2.4.2小信号增益系数随泵浦速率增大曲线,2.4.3三能级系统的小信号增益系数,图2.4.3小信号增益系数随泵浦速率增大曲线,2.5均匀加宽介质的增益饱和2.5.1大信号的反转粒子数,2.5.2大信号增益系数,图2.5.1均匀加宽介质增益曲线大信号饱和现象,2.5.3增益曲线的均匀饱和,2.5.4增益介质的色散,图2.5.2均匀加宽激活介质的色散现象,图2.5.3增益强弱对均匀加宽激活介质色散的影响,图2.5.4饱和对均匀加宽激活,2.6非均匀加宽介质的增益饱和2.6.1大信号增益系数,图2.6.1非均匀加宽介质增益曲线大信号饱和现象,2.6.2增益曲线的烧孔现象,2.6.3气体激光器中的烧孔现象,图2.6.2多普勒加宽单模气体激光器介质增益曲线的双烧孔效应,2.6.4综合加宽工作物质的增益系数,2.7超辐射激光器2.7.1自发辐射放大,2.7.2超辐射的强度和方向性,图2.7.1氮激光器337nmASE功率与长度的关系,图2.7.2激活介质放大的自发辐射方向性示意图,2.7.3超辐射的线宽,第3章连续激光器的工作特性,3.1均匀加宽介质激光器速率方程3.1.1四能级系统激光器单模运转速率方程,3.1.2三能级系统激光器单模运转速率方程,3.1.3多模激光器速率方程,3.2激光振荡阈值3.2.1振荡阈值条件,3.2.2四能级系统的阈值泵浦功率密度,图3.2.1介质增益曲线中增益阈值线,3.2.3三能级系统的阈值泵浦功率密度,3.3均匀加宽介质激光器中的模竞争,3.3.1起振纵模数目估计,图3.3.1纵模数目,3.3.2均匀加宽介质激光器中的单模振荡,图3.3.2介质增益均匀饱和与模竞争示意图,图3.3.3半导体激光器随注入电流增大形成单模振荡,3.3.3频率牵引,一、均匀加宽介质激光器中的频率牵引,图3.3.4激光器中频率牵引效应,图3.3.5增益介质的增益和色散曲线,二、非均匀加宽跃迁谱线激光器的频率牵引,3.3.4空间烧孔,图3.3.6驻波腔中集居数密度反转沿轴向的空间烧孔,3.4非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡3.4.1多模振荡,图3.4.2非均匀加宽激光器的增益曲线和振荡模谱,图3.4.1非均匀加宽介质增益曲线大信号饱和现象,3.4.2蓝姆凹陷,3.4.3非均匀加宽介质的模竞争,图3.4.3多普勒加宽单模激光器输出功率随纵模频率的变化,图3.4.4单频氦氖激光器蓝姆凹的典型实验结果,3.5激光器输出特性3.5.1均匀加宽介质激光器单模运转一、四能级系统,二、三能级系统,图3.5.1驻波型腔内光强示意图,图3.5.2激光器输出功率随泵浦功率的变化曲线,图3.5.3染料激光器输出功率随氩离子激光泵浦功率变化的实验曲线,图3.5.4激光器输出功率与透射率的关系,3.5.2非均匀加宽介质激光器单模运转,图3.5.5多普勒加宽单模气体激光器介质增益曲线的双烧孔效应,图3.5.6不同泵浦超阈度下多普勒加宽单模激光器输出功率随纵模频率的变化,3.5.3单模激光器的线宽极限,第4章光学谐振腔理论,4.1光学谐振腔的研究方法1.几何光学分析方法2.矩阵光学分析方法3.波动光学分析方法4.2光学谐振腔的基本,知识,图4.2.1最简单的光学谐振腔结构,图4.2.2均匀平面波在平行平面腔中的传播,一、纵模1.驻波条件,图4.2.3腔内驻波,2.纵模,二、横模1.横模2.横模产生的原因,图4.2.4平行平面腔的纵模,图4.2.5谐振腔内横模强度分布4.2.3光学谐振腔的损耗一、损耗,1.几何损耗2.衍射损耗,图4.2.6激光横模形成的定性解释,3.输出腔镜的透射损耗4.非激活吸收、散射等其他损耗,二、光子寿命,图4.2.7平均单程损耗的定义,4.2.4无源腔品质因素（Q值）,4.2.5无源腔的单模线宽,4.3光学谐振腔的矩阵光学理论4.3.1传播矩阵及其ABCD定律一、光线的矩阵描述,图4.3.1傍轴光线的两个参数二、光线变换矩阵,图4.3.2傍轴光线在自由空间传播,图4.3.3任意光学系统的光线变换矩阵,图4.3.4薄透镜的光线变换矩阵1.焦距为f的薄透镜,2.半径为R的球面反射镜,图4.3.5球面反射镜的光线变换矩阵,4.3.2谐振腔的稳定性一、谐振腔的稳定性条件,图4.3.6谐振腔的光线变换矩阵,二、稳区图4.4光学谐振腔的衍射积分理论4.4.1惠更斯菲涅耳原理和基尔霍夫衍射积分,图4.3.7光学谐振腔的稳区图,图4.4.1惠更斯菲涅尔原理示意图,图4.4.2衍射理论研究谐振腔示意图,4.4.2谐振腔自再现模积分方程,图4.4.3自再现模的形成,一、普通谐振腔的自再现模积分方程,二、对称谐振腔的自再现模积分方程,4.4.3积分方程的物理意义一、方程解的物理意义,二、系数的物理意义,4.5平行平面腔的自再现模4.5.1平行平面腔自再现模积分方程,图4.5.1平行平面腔,4.5.2平行平面腔模的数值迭代解法一、福克斯厉（Fox-Li）数值迭代法二、并行平面腔的数值迭代分析,图4.5.2条形平面腔模迭代计算结果,1.振幅分布2.相位分布3.单程相移和损耗4.谐振频率,4.6对称共焦腔的自再现模,4.6.1方形球面共焦腔模式积分方程及其解,图4.6.1对称共焦腔,4.6.2方形球面共焦腔自再现模的特征一、镜面上场的振幅分布1.基模（TEM00）,2.高阶横模,图4.6.2基模振幅分布图,图4.6.4方形球面共焦腔高阶横模强度花样（数字下标表示模阶次）,二、镜面上的相位分布三、单程损耗,四、单程相移和谐振频率,图4.6.5方形球面共焦腔的单程损耗（图中数字表示模阶次）,4.6.3方形球面共焦腔的行波场,4.6.4圆形球面共焦腔,图4.6.6圆形球面共焦腔高阶横模强度花样（数字下标表示模阶次）,4.6.5等价共焦腔,一、“等价”的含义,图4.6.7共焦腔行波场等相位面的分布,二、等价共焦腔,图4.6.8稳定球面腔及其等价共焦腔,第5章高斯光束,5.1高斯光束的基本特点5.1.1基模高斯光束一、振幅分布,图5.1.1基模高斯光束及其参数,二、模体积,三、等相位面分布四、相移五、远场发散角,5.1.2高阶模高斯光束一、厄米高斯光束,二、拉盖尔高斯光束,5.2高斯光束的传输5.2.1高斯光束的复参数传播的ABCD定律,5.2.2高斯光束的薄透镜变换,图5.2.1高斯光束的薄透镜变换,5.3高斯光束的特性改善5.3.1高斯光束的聚焦一、光斑大小1.透镜焦f确定w0随l变化的情况,图5.3.1高斯光束聚焦w0和l的关系

（1）lf时，w0随l的增大而单调增大，当l=0时，w0取极小值,

（2）l=f，w0得到极大值,（3）lf时，w0随l的增大而单调减小，l时w00，lf。

@#@此时，物距l越大、焦距f越小，聚焦效果越好，这也是高斯光束聚焦中实际使用的情况。

@#@2.物距l确定，w0随透镜焦f变化的情况

（1）当时,w0取极大值,

（2）当fR（l）时，w0取随焦距f增加单调减小，最终f时，得到w0w0，这种情况下，没有聚焦作用。

@#@,图5.3.2激光打孔深度和焦深的关系,二、焦深和焦斑位置5.3.2高斯光束的准直一、单透镜对高斯光束的准直,二、望远系统对高斯光束的准直,图5.3.3利用望远系统准直高斯光束,图5.3.4反高斯分布滤光装置,5.3.3高斯光束强度的均匀化和模匹配一、强度均匀化,二、高斯模的匹配,图5.3.5高斯模匹配原理,第6章