也可理解为：同一光源的光经过不同的路 径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过 的时间差τc称为相干时间
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1、时间相干性
相干长度: 两列光波间允许的最大光程差 Lc Lc=C Δt
B
E st
单位: W/cm2.Sr
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二、高亮度
• 太阳光的亮度约为1.03W/cm2·Sr • 普通的1mW氦氖激光1.05W/cm2·Sr • 大功率脉冲激光1014~ 1017W/cm2·Sr • 飞秒激光可达1020W/cm2·Sr
是太阳的1011倍以上
激光是最亮的光
应用: 通信光源、测距、激光光盘、唱片、 印刷术、办公自动化、泵浦源
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4．液体激光器
常见有机染料激光器
特点：
输出的激光波长在很大 范围内连续可调(0.341.2um)
应用:
在光化学、光生物学、
激光医学等方面
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5.化学激光器
常有HF、碘原子激光器等 特点: • 可将化学能直接转换为激
二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布
1、原子能级
玻尔理论: ① 电子非任意轨道,且是一定半径或能
级的轨道
② 定态:处在一定轨道上的电子 ③ 基态:能量最低的定态 ④ 激发态:除基态以外的其他定态 ⑤
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1、原子能级
② 电子运动状态的变化要吸 收或者释放能量: hv=E2E1
激光照排，水下通讯
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3．半导体激光器
特点: • 超小型，质量轻，成本低，批量生产 • 能量转换效率高(＞30％)，波长范围
广(0．5—30 74m)，寿命长(＞百万小 时)，功率小(一般在1—00mw)，发散 角大，单色性差
• 易于调制．改变驱动电流，可将输出 光调制到G赫兹
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三、谐振腔
由提I高(ZZ)的大I小0e，GZ常知常，采Z用越以大下，结光构越: 强， 为减小体积，
目的:
1. 光往返,增加Z的大小,利于光放大
2. 腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选 择作用.
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四、激光产生的条件
条件： 三要素加一阀值条件
三要素: 1. 泵浦 2. 增益介质 3. 谐振腔 阀值条件: 光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大 于或者等于所遭受的各种损耗之和.
2、泵浦
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二、光放大
1、增益介质 能量波与物质的相互作用：
1、物理、化学作用 2、反射、散射 3、受激吸收
4、自发辐射
损耗 应当减弱,利于放大
泵浦 容易实现粒子数反转 杂散光，影响单色性、相干性
增益介质：
易于通过泵浦实现粒子数反转分布，光在此介质中受激辐射 大于受激吸收、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用
一、光量子学说及波粒二象性
几何光学 波动光学 电磁理论 量子理论
微粒说
波动说
电磁说 量子说
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一、光量子学说及波粒二象性
1. 光具有反/折射、衍射、干涉、光电效应
2. 牛顿：粒子说 ——折/反射现象
3.
Yang：波动说——衍射、干涉
b a
4. 波粒二象性解释不了光电效应：
45 NO 34 fg 79
67 PQ
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2.简并度、简并能级
从图上看出：
1、电子运行的状态不同，其能量相同。
2、能量相同的能级对应不同的电子运动状态。 简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的
数目
简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动 状态具有相同的能级，这样的能级叫简并能级
三、光与物质的相互作用
3.受激辐射 特点:
相同的频率、相位、偏振方向和传播方向
E2
h
E1
发光前
发光后
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h h
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三、光与物质的相互作用
当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种过程
光场能量
自发辐射
受激辐射 受激吸收
粒子能量
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可能达到平衡
也可能达不到平衡
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第一章 激光原理与技术
本章主要内容: 1. 辐射理论概要（重点） 2. 激光产生的条件:泵浦、增益介质、谐振腔、阀值条件
（重点）
3. 结构及分类 4. 物理性质（重点） 5. 高斯光束（重点） 6. 稳频技术 7. 调制技术（重点） 8. 半导体激光器
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1第一节 辐射理论概要 Nhomakorabea2006年3月6日星期一
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三、单色性
由 C 知 , 线宽也对应着一定波长宽度
1 2
工程上一般也用 或
来度量线宽的大小.
单色光源是氪（Kr86）灯，中心波长为605.7 nm，
中心频率为4.95×108 MHz，其谱线宽度为
3.8×102 MHz，即4.7×10－4 nm
Δλ/λ为7.96×10-7 一般He-Ne激光Δλ/λ为10-11 中心波长6328埃
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三、光与物质的相互作用
作用种类:
1. 自发辐射
2. 特点: 辐射光没有固定频率、相位i、偏振
方向
和传播方向
E2
E1
发光前
发光后
hE2E1
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三、光与物质的相互作用
2、受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
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2. 气体激光器
常见: CO2,He-Ne, Ar+激光器 特点: • 种类多，波长分布区域宽
• 应用广，频率稳定性好，是很好 的相干光源
• 可实现最大功率连续输出 • 结构简小，造价低，转换效率高 • CO2, 常用于机械加工
He-Ne 测量、计量 Ar+ 化学分析，全息摄影，
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2、受激放大
增益介质对光的放大作用：
I(Z) I0eGZ
G为增益介质的增益系数,G>0,Z为增益介
质的长度,I0为入射光强
结论:
不考虑损耗的情况下, G越大,Z越大,对光的放 大作用越好, 但是G,Z有限,也可能形成不了激 光
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通用结构
全 反 镜
五、结构形式
泵浦源
部分反部分透射镜
增益介质
激光
谐振腔
以He-Ne激光器为例：
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五、结构形式
He-Ne激光器的三种结构： A. 外腔式
B. 半内腔式
C. 内腔式
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六、激光器的分类及特点
③ 定态限制:即电子的轨道 运动的角动员P必须等于 h/2π的整数倍:
PФ=nh/2π 玻尔量化条件 n为整数 主量子数
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2.简并度、简并能级
表 13-1 角动量状态
主量子数 (n)
1 23
符号
K LM
角动量 l (n-1) 0 1 2
符号
s pd
简并度 g = 2l+1 1 3 5
请勿对准眼睛
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三、单色性
单色性是指光强按频率(波长)的分布状况。
激光的频率受以下条件影响：
• 腔长变化
P
Pmax
• 泵浦 • 温度
1/2Pmax
• 震动 • 能级分裂
V1 V0 V2
V
激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度 Δν= ν2- ν1(线宽)描述。
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1. 固体激光器
工作物质主要是掺杂晶体和掺杂 玻璃，最常用的是红宝石 (掺铬)Al2O3、钕玻璃(掺钕)、 钇铝石榴石(掺钕)YAG。
激励方式:光激励(简称光泵)
特点: 输出功率大可达1000W以 上, YAG最好,可连续运行 多模输出
常用于机械加工
1是脉冲氙灯；2是红宝石棒， 3是椭圆柱形聚光器，4是全 反射镜，5是部分反射镜
固体激光: 10-2
半导体激光: 5-10x10-2
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激光的方向性
影响因素：
介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长 泵浦方式 工作的状态
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二、高亮度
亮度定义:
单位面积的光源在单位时间内向着其法线 方向上的单位立体角范同内辐射的能量
h h6.62610 34Js
② 1905年Einstein光量子学说
光的能量是不连续的，光由一粒粒的光子
组成，每个光子的具有确定的能量。只能 作为一个整体被吸收或产生。
h
h1m2 A 2
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