第一章激光基础概述1.1激光的特点激光具有高定向性，高单色性或相干性辐射学的角度：高亮度统计学：高光子简并度高方向性（高定向性）在近似情况下，激光器输出的平面发散角等于光束的衍射角立体发散角为由于激光是在谐振腔中振荡输出的光，因此具有很好的方向性，常规激光光束的发散角在10-6rad10-6radD光束直径l激光波长经过一定距离L后的光斑大小激光的相干性（空间相干与时间相干性）空间相干性：空间相干性又可称为横向相干性，由所谓的横向相干长度来表征，由光束的平面发散角决定，即定义为相干截面，即相干：coherent，即波面各处均存在固定的相位关系单色性和时间相干性以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光的相干时间。单色性和相干时间之间存在简单关系，即即单色性越好，相干时间越长。有的还用所谓纵向相干长度来表示相干时间，则有高亮度和光子简并度对激光辐射而言，由于发光的高定向性、高单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度Bv。高的光子简并度是激光的本质，它表示有多少个性质完全相同的光子（具有相同的能量、动能和偏振）共处于一个波型（或模式）之内，这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度。单位面积，单位带宽，单位立体角的功率可以看出，单色定向亮度和光子简并度是两个彼此相当的物理量，但是从激光物理过程来说，无疑光子简并度是更本质、更直接的物理量。激光的光束传播用光学矩阵的方法描述激光具有能量的高度集中性激光光束传播的高度定向特性因此可以近似将激光束抽象为近轴光线来处理2.激光的产生一、原子能级原子内部的电子可以通过与外界交换能量从一种运动状态改变为另一种运动状态，对于每一种运动状态，原子具有确定的且不连续的内部能量值，称原子的每一个内部能量值为原子的一个能级。激发态基态光和物质的三种相互作用自发辐射受激辐射受激吸收三能级系统抽运能级激光输出能级（亚稳态能级）激光跃迁基态与激光最终能级三能级系统简图在、这两个能级间实现了粒子数反转，上粒子跃迁回时，产生受激辐射，从而产生激光。典型的红宝石激光器就属于三能级系统。快速衰变泵浦抽运四能级系统抽运能级激光输出能级（亚稳态能级）激光最终能级激光跃迁基态四能级系统简图典型的激光器、钕玻璃激光器等都属于四能级系统。快速衰变快速衰变泵浦抽运粒子数反转条件a、正常能级粒子数分布单位体积中处于上能级的粒子和下能级的粒子的玻尔兹曼分步率为由于且，所以热平衡时，有满足上式的粒子数分布，通常称为粒子数正常分布。粒子数正常分布g1，g2为E1，E2能级上的简并度，即各能级上相同能量但不同状态的粒子数粒子数反转分布（）在激光器工作物质内部，由于外界能源的泵浦，破坏了热平衡，有可能使处于上能级的粒子数密度大大增加，达到满足上式得粒子数分布，称为粒子数反转分布。b、粒子数反转分布3.激光器的组成一、基本结构激光工作物质全反射镜激光输出输出镜泵浦源激光器基本结构激光工作物质泵浦源（激励源）光学谐振腔激光器示意图谐振腔作用：光学正反馈形成激光持续振荡；对振荡光束的方向、频率形成限制，保证单色性与方向性类型：平行平面腔凹面腔平凹腔规定：凹反射镜：凸反射镜：平面镜：高斯公式：S为物距，S‘为相距，f为反射镜焦距二、激光器种类1.固体激光器2.气体激光器3.半导体激光器4.染料激光器5.化学激光器6.自由电子激光器红宝石激光：0.6943mm，脉冲107WYAG激光：1.064mm，连续，脉冲（几百兆瓦）钛宝石激光0.66~1.18mm可调协，飞秒He-Ne：0.6328mm，连续He-Cd：0.4416mm，0.325mm，0.532mm，0.5373mm准分子激光：KrF激光0.248mm脉冲Ar离子激光：0.488mm，0.5145mmCO2激光：10.6mm连续脉冲半导体：0.4~48mm化学激光器：氟化氘（HF）2.7mm自由电子激光器：2~8mm，脉冲4.光线在谐振腔内的行为谐振腔的稳定条件光线在谐振腔内的振荡L双凸腔共焦腔（双凹）入射平行光S=∞，则S’=f<04.光线在谐振腔内的行为谐振腔的稳定条件为达到光被不断放大、激发的目的，要求谐振腔能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振腔，满足这一要求的腔称为稳定腔。L令，稳定腔：满足条件非稳腔：满足条件或谐振腔临界腔：满足条件或稳定腔：平-凹腔：R1=∞，R2>0，当R2>L双凹腔：R1>L,R2>L;或R1L凹凸腔：R1>0,R2<0，且R1>L,R1+R20,R2<0，且L>R1>0,J1J2<0或R1+R2>L,J1J2>1平凹腔：0L,J1J2<0;或R1+R21临界腔：平行平面腔：R1=∞=R2对称共焦腔：R1=R2=L共心腔：J1=-R2?/R11J2=-R1/R2非稳非稳非稳非稳稳稳oKDLMNJ1J2谐振腔稳定图例如平凹腔：R1=∞,J1=1D点J2=1(R2=∞)，K点J2=0(R2=L)L0,R2>0J1=-1<0,所以J2必须:-1
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