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1、第一章 辐射理论概要与激光产生的条件 1.1 光的波粒二象性 一. 光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播 。 1、线偏振光 2、光速、频率和波长三者的关系 3、单色平面波 二. 光子。 1.2 原子能级和辐射跃迁 一. 原子能级、简并度 三. 波尔兹曼分布 (原子数按能级分布服从波尔兹曼定律) 四. 辐射跃迁和非辐射跃迁(概念) 二. 原子状态标记 1 1.3 光的受激辐射 一. 黑体辐射 二. 光和物质相互作用 1、自发辐射 2、受激辐射 3、受激吸收 4、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 （在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，三者关系；热平衡空腔 的单色辐射能量密度 ；爱因斯坦系
2、数间的基本关系） 5、自发辐射光功率与受激辐射光功率 2 1.4 光谱线增宽 一. 谱线加宽 1、由来（理解） 2、线性函数（涵义、性质：归一化，线宽） 3、光谱线型对光与物质的作用的影响 二. 自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽 1. 概念 2. 机理 （引起的原因） 3. 线性函数及相关性质 三. 均匀增宽和非均匀增宽线型 1. 特点 3. 两者区别 2. 线性函数及相关性质 四. 综合增宽 3 1.5 激光形成的条件 一. 介质中光的受激辐射放大 1. 产生激光的基本条件受激辐射占优势 2. 光束在介质中的传播规律 3.介质中产生受激光放大的条件、增益介质与增益系数。 二. 光学谐振腔和阈值
3、条件 (产生激光的三个基本条件：增益介质，粒子数反转，光 学谐振腔) 4 第二章 激光器的工作原理 2.1 光学谐振腔结构与稳定性 一. 共轴球面谐振腔的稳定性条件 ( ) 二. 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类 1. 稳定腔、临界腔、非稳 (稳定图，包含种类) 2.稳定图的应用 （1）制作一个腔长为L的对称稳定腔，反射镜曲率半径的取值范围如何确定 （2）给定稳定腔的一块反射镜，要选配另一块反射镜的曲率半径，其取值范围何确定 （3）如果已有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长范 围如何确定 5 2.2 速率方程组与粒子数反转 一. 三能级系统和四能级系统* 二. 速率方
4、程组 三. 稳态工作时的粒子数密度反转分布 四. 小信号工作时的粒子数密度反转分布 五. 均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布* 六. 均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 6 三能级系统图: 其中 E1基态能级, 又是激光下能级, 也是抽运能级。 E2激光上能级, 是亚稳能级( 21小)。 E3抽运能级, 非辐射跃迁几率大(32大(!) 其主要特征是激光的下能级为基态，极易积累粒子(几 乎聚集了所有粒子),发光过程中下能级的粒子数一直保存有 相当的数量,对抽运的要求很高。所以不易实现粒子数反转. 三能级系统和四能级系统* 7 由图可见:四能级系统要实现粒子数反转, 只要求n2n1 而不必
5、令n2 n0,而n0则是极易积累的基态粒子数。 E0:基能级/光抽运能级 E1:不是基态能级，而是一个激发态能级,是激光下能级, 10小 而10大(迅速弛豫到E0, 抽空E1, 减少n1)在常温下基本上是空的。 E2: 激光上能级/亚稳能级(易积累n2) E3: 光抽运能级, 32小而32 大(迅速弛豫到E2) 四能级系统图: 8 均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布* 饱和光强 ： 粒子数密度反转分布： 这就是均匀增宽型介质E2、E1能级之间粒子数反转分布的表 达式。它给出能级间粒子数反转分布值与腔内光强、光波的 中心频率、介质的饱和光强、激励能源的抽运速率以及介质 能级的寿命等参量的关系。9
6、 2.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 一. 均匀增宽介质的增益系数 二. 均匀增宽介质的增益饱和* 10 增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱 时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后 ，增益系数随光强的增大而减小。 均匀增宽介质的增益饱和* 介质对频率为v0、光强为I的光波的增益系数: 介质对频率为v、光强为I的光波的增益系数: 均匀增宽型增益饱和曲线： 11 频率 增益 系数 1.几种特殊频率下的增益系数： 2.均匀增宽型增益饱和曲线性质： 线宽、物理意义. 12 2.4 非均匀增宽介质的增益饱和 一. 介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 二. 非均匀
7、增宽型介质在小信号时的增益系数* 三. 非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布* 四. 非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 13 非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数* 系数表达： 中心频率处的小讯号增益系数： 14 非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布* 非均匀增宽型粒子数密度反转分布的饱和作用： “烧孔”效应性质：孔的深度、宽度和面积 15 2.5 激光器的损耗与阈值条件* 一. 激光器的损耗 二. 激光谐振腔内形成稳定光强的过程 三. 阈值条件 四. 对介质能级选取的讨论 16 激光器的损耗 内部损耗 镜面损耗 激光谐振腔内形成稳定光强的过程 谐振腔光放大过程 腔内光放大倍数 谐振腔
8、稳定出光过程 17 阈值条件 获得激光所要求的双程放大倍数 ： 形成激光所要求的增益系数的条件： 均匀介质增益系数阈值 ： 粒子数密度反转分布值的阈值 ： 总阈 a II G G SM D = + = 21 0 )1 ( 总阈 a II G G SM = + = 0 1 非均匀介质增益系数阈值： 对介质能级选取的讨论 三能级系统阈值输运功率： 四能级系统阈值输运功率： 18 第三章 激光器的输出特性 3.1 光学谐振腔的衍射理论 一.菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 二. 自再现模概念 三. 激光谐振腔的谐振频率和激光纵模* 19 激光谐振腔的谐振频率和激光纵模* 共焦腔镜面上的场分布 1.方形镜面共
9、焦腔自再现模积分方程的解析解 ： 本征值近似解： Hm(X)和Hn(Y)均为厄密多项式，其表示式为： 20 2. 镜面上自再现模场的特征 振幅分布： 单程衍射损耗 单程相移与谐振频率：（纵模间隔、激光器中出现的纵模数、横模间隔 ） 相位分布 高阶模的光斑尺寸与基模的关系： 21 3.3 高斯光束传播特性* （高斯光束各特征参量） 束腰半径： 波阵面曲率半径： 光束有效截面半径 ： 镜面光束半径： 远场发散角： 22 3.4 稳定球面腔的光束传播特性* 一. 稳定球面腔的等价共焦腔 二. 稳定球面腔的光束传播特性 23 任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地与一个共焦腔等价 稳定球面腔的等价共
10、焦腔 假设双凹腔两镜面M1与M2的曲率半径分别为R1和R2，腔长 为L，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为f。以等价共焦腔 中点为z坐标的原点。M1、M2两镜的z坐标为z1和z2。如图(3 -10)所示。则有： 图(3-10) 球面腔的等价共焦腔 24 稳定球面腔的光束传播特性 等效共焦腔的束腰半径和原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径 1. 等效共焦腔的束腰半径 2.原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径 25 1.方形腔的谐振频率： 谐振频率 2.圆形腔的谐振频率： 26 3.5 激光器的输出功率 一. 均匀增宽型介质激光器的输出功率 二.非均匀增宽型介质激光器的输出功率* 27 非均匀增宽型
11、介质激光器的输出功率* 激光器的输出功率 单频激光器的输出功率 若腔内只允许一个谐振频率，且 ，激光器在理想的情况下，仍有： 此时腔内的平均光强为： 激光器的输出光强为： 若 光束的截面为A，则激光器的输出功率为： 激光器输出光强为： 若腔内单纵模的频率为 ，激光器腔内平均光强为： 若 光束的截面为A，激光器的输出功率为： 28 第四章 激光的基本技术 4.1 激光器输出的选模 一. 激光单纵模的选取*（选取机理，及用何种方法） 二. 激光单横模的选取 29 激光单纵模的选取*（选取机理，及用何种方法） 均匀增宽型谱线的纵模竞争 理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模，其频 率在增 益
12、曲线中心频率附近，其它纵模被抑制而熄灭。在模的竞争过程中，频率 越远离中心频率的光越先熄灭。竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那 个纵模被保持下来。 非均匀增宽型谱线的纵模竞争 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 单纵模选取 短腔法、法布里-珀罗便准具法、三反射镜法 30 4.3 激光束的变换 一. 高斯光束通过薄透镜时的变换* 二. 高斯光束的聚焦* 三. 高斯光束的准直* 四. 高斯光束的扩束 31 用薄透镜假设和计算公式，计算透过薄透镜生成的新的高斯光 束的波阵面曲率半径R和光束有效截面半径 高斯光束通过薄透镜时的变换* 高斯光束传播到薄透镜处的波阵面曲率半径R 和光束有效截面
13、半径： 薄透镜变换出的高斯光束的束腰位置s和束腰半径 32 高斯光束的聚焦* 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形 1.象方腰斑位置象方腰斑位置: : 2.象方象方束腰半径束腰半径: : 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形 1.象方腰斑位置象方腰斑位置: : 2.象方象方束腰半径束腰半径: : 33 高斯光束的准直* 核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角 用单透镜 用望远镜： 定义： 高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。 倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。 34 4.5 激光偏转技术 一. 机械偏转 二. 电光偏转 三. 声光偏转* 35 原理：声波对光波的衍射效应。 控制
14、：光的强度、频率和传播方向 声光偏转* 当声频改变时 ，偏转角的改变量为： 36 4.7 激光锁模技术 一. 锁模原理* 二. 主动锁模 三. 被动锁模 37 锁模原理* 输出脉冲的峰值(最大光强) 周期 (T) 相邻脉冲峰值间的时间间隔 注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之 和,即I(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍 。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就 越大。 脉冲的宽度 () 38 第五章 典型激光器介绍 激光器性能： 激活粒子 工作中心波长 工作能级系统 常用泵浦方式 常用运转方式 与产生激光有关的能级图 5.1 固体激光器 5.2 气体激光器 5.3 染料激光器 5.4 半导体激光器（产生激光的条件 ） 39
