激光原理教案公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

激光原理与技术激光原理与技术第一章 激光基本原理1-1 相干性光子描述相干性光子描述1-2 光受激辐射基本概念光受激辐射基本概念1-3 光受激辐射放大光受激辐射放大1-4 光自激振荡光自激振荡1-5 激光特性激光特性第第1页页第第1页页激光原理与技术激光原理与技术1-1 1-1 相干性光子描述相干性光子描述相干性光子描述相干性光子描述一光子基本性质一光子基本性质 第第2页页第第2页页激光原理与技术激光原理与技术4.光子含有两种也许独立偏振状态，相应光子含有两种也许独立偏振状态，相应于光波于光波 场两个独立偏振方向场两个独立偏振方向。5.光子含有自旋，并且自旋量子数为整数光子含有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光子集合，服从玻色因此大量光子集合，服从玻色爱因斯坦爱因斯坦统计规律。处于同一状态光子数目是没有统计规律。处于同一状态光子数目是没有限制，这是光子与其它服从费米统计分布限制，这是光子与其它服从费米统计分布粒子粒子(电子、质子、中子等电子、质子、中子等)主要区别。主要区别。第第3页页第第3页页激光原理与技术激光原理与技术二、光波模式和光子状态相格二、光波模式和光子状态相格 按照量子电动力学概念，光波模式和光子按照量子电动力学概念，光波模式和光子状态是等效概念。状态是等效概念。由由麦克斯韦麦克斯韦(c.Maxwell)方程决定。单色平方程决定。单色平面波是麦克斯韦方程一个特解，麦克斯韦方面波是麦克斯韦方程一个特解，麦克斯韦方程通解可表为一系列单色平面波线性叠加。程通解可表为一系列单色平面波线性叠加。第第4页页第第4页页激光原理与技术激光原理与技术空腔立方体内模式数目空腔立方体内模式数目 第第5页页第第5页页激光原理与技术激光原理与技术 m,n,q为正整数，相应腔内一个模式为正整数，相应腔内一个模式(包括两包括两个偏振个偏振)。第第6页页第第6页页激光原理与技术激光原理与技术 在在k空间内，波矢绝对值处于区间空间内，波矢绝对值处于区间图图1.1.1 波矢波矢空间空间第第7页页第第7页页激光原理与技术激光原理与技术有两种不同偏振，上述模式数应乘有两种不同偏振，上述模式数应乘 2 第第8页页第第8页页激光原理与技术激光原理与技术 测不准关系表明：微观粒子测不准关系表明：微观粒子坐标和动量不能同时准确测定，坐标和动量不能同时准确测定，位置测得越准确，动量就越测位置测得越准确，动量就越测不准。不准。第第9页页第第9页页激光原理与技术激光原理与技术 上述相空间体积元称为相格。相格是相空间中上述相空间体积元称为相格。相格是相空间中用任何试验所能分辨最小尺度。光子某一运动用任何试验所能分辨最小尺度。光子某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部对应位置。相格内部对应位置。微观粒子和宏观质点不同，它运动状态在相空微观粒子和宏观质点不同，它运动状态在相空间中不是对应一点而是对应一个相格。这表明间中不是对应一点而是对应一个相格。这表明微观粒子运动不连续性。仅当所考虑运动物体微观粒子运动不连续性。仅当所考虑运动物体能量和动量远远大于由普朗克常数能量和动量远远大于由普朗克常数h所标志量所标志量hv和和hk，以致量于化效应能够忽略不计时，量子，以致量于化效应能够忽略不计时，量子力学运动才过渡到经典力学运动。力学运动才过渡到经典力学运动。第第10页页第第10页页激光原理与技术激光原理与技术一个相格所占有坐标空间体积一个相格所占有坐标空间体积一个相格所占有坐标空间体积一个相格所占有坐标空间体积(或称或称或称或称相格空间体积相格空间体积相格空间体积相格空间体积)可见，一个光波模在相空间也占有一个相格，因可见，一个光波模在相空间也占有一个相格，因此，一个光波模等效于一个光子态。此，一个光波模等效于一个光子态。第第11页页第第11页页激光原理与技术激光原理与技术 物理光学中曾经证实：在物理光学中曾经证实：在图图中，由线度为中，由线度为 x x光源光源A照明和两点照明和两点S S1 1、S S2 2 光波场含有明显空间相光波场含有明显空间相干性条件为干性条件为距离光源距离光源R处相干面积处相干面积为为 第第12页页第第12页页激光原理与技术激光原理与技术 假如用假如用表示两缝间距对光源张角，则表示两缝间距对光源张角，则 光源相干面积光源相干面积为为:第第13页页第第13页页激光原理与技术激光原理与技术 三、光子相干性三、光子相干性 光相干性了解为：在不同空间点上、在不光相干性了解为：在不同空间点上、在不同时刻光波场一些特性同时刻光波场一些特性(比如光波场相位比如光波场相位)相关性。相关性。相干体积：假如在空间体积相干体积：假如在空间体积Vc 内各点光波场内各点光波场都含有显著相干性，则都含有显著相干性，则Vc 称为相干体积。称为相干体积。第第14页页第第14页页激光原理与技术激光原理与技术 普普通通光光源源发发光光，是是大大量量独独立立振振子子(比比如如发发光光原原子子)自自发发辐辐射射。每每个个振振子子发发出出光光波波是是由由连连续续一一段段时时间间 t t或或在在空空间间占占有有长长度度c t t波波列列所所构构成成如如图图所表示。所表示。单原子发光光波列和频谱单原子发光光波列和频谱 第第15页页第第15页页激光原理与技术激光原理与技术光源单色性越好，相干时间越长光源单色性越好，相干时间越长 光源相干体积光源相干体积 如如要要求求传传播播方方向向限限于于之之内内并并含含有有频频带带宽宽度度光光波波相相干干，则则光光源源空空间间体体积积应应小小于于V VCSCS。第第16页页第第16页页激光原理与技术激光原理与技术 从光子观点分析下列：由面积为从光子观点分析下列：由面积为(X)X)2 2光源光源发出动量为发出动量为p p限于立体角限于立体角内光子，由动量内光子，由动量测不准关系知：测不准关系知：即即相相格格空空间间体体积积和和相相干干体体积积相相等等。假假如如光光子子属属于于同同一一光光子子态态，则则它它们们应应当当包包括括在在相相干干体体积积之内。也就是说，属于同一光子态光子是相干。之内。也就是说，属于同一光子态光子是相干。第第17页页第第17页页激光原理与技术激光原理与技术结论：结论：1相格空间体积以及一个光波模或光子相格空间体积以及一个光波模或光子态占有空间体积都等于相干体积。态占有空间体积都等于相干体积。2属于同一状态光子或同一模式光波是属于同一状态光子或同一模式光波是相干。不同状态光子或不同模式光波是相干。不同状态光子或不同模式光波是不相干。不相干。第第18页页第第18页页激光原理与技术激光原理与技术四、光子简并度四、光子简并度 一个好相干光源，应含有尽也许高相干光强、一个好相干光源，应含有尽也许高相干光强、足够大相干面积和足够长相干时间。足够大相干面积和足够长相干时间。对普通光源来说，增大相干面积、相干时间对普通光源来说，增大相干面积、相干时间和增大相干光强是矛盾。为了增大相干面积和增大相干光强是矛盾。为了增大相干面积和相干时间，能够采取光学滤波来减小和相干时间，能够采取光学滤波来减小，缩小光源线度或加光阑以减小以及远离光源缩小光源线度或加光阑以减小以及远离光源等方法。但这一切都将造成相干光强减小。等方法。但这一切都将造成相干光强减小。第第19页页第第19页页激光原理与技术激光原理与技术光子简并度：处于同一光子态光子数。光子简并度：处于同一光子态光子数。含义：含义：同态光子数、同一模式内光子数、处同态光子数、同一模式内光子数、处于相干体积内光子数、处于同一相格内光子于相干体积内光子数、处于同一相格内光子数数 激光器是一个把光强和相干性两者统一起激光器是一个把光强和相干性两者统一起来强相干光源。相干光强决定于含有相干来强相干光源。相干光强决定于含有相干性光子数目或同态光子数目。性光子数目或同态光子数目。第第20页页第第20页页激光原理与技术激光原理与技术1-2 1-2 光受激辐射基本概念光受激辐射基本概念光受激辐射基本概念光受激辐射基本概念 受激辐射概念是爱因斯坦首先提出受激辐射概念是爱因斯坦首先提出(19)。在普朗克于。在普朗克于19用辐用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，以及波尔在射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，以及波尔在19提提出原子中电子运动状态量子化假设基础上，爱因斯坦从光量子概出原子中电子运动状态量子化假设基础上，爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射普朗克公式并在推导中提出了两念出发，重新推导了黑体辐射普朗克公式并在推导中提出了两个极为主要概念：受激辐射和自发辐射。个极为主要概念：受激辐射和自发辐射。40年后，受激辐射概念年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。在激光技术中得到了应用。第第21页页第第21页页激光原理与技术激光原理与技术一、黑体辐射普朗克公式一、黑体辐射普朗克公式 绝对黑体绝对黑体(简称黑体简称黑体)：处于温度处于温度T T物体能够物体能够发出和吸取电磁辐射。假如某一物体能够完全发出和吸取电磁辐射。假如某一物体能够完全吸取任何波长电磁辐射，则称此物体为绝对黑吸取任何波长电磁辐射，则称此物体为绝对黑体。体。（空腔即为绝对黑体）（空腔即为绝对黑体）热辐射热辐射(温度辐射温度辐射):物体物体除吸取电磁辐射外，还会除吸取电磁辐射外，还会发出电磁辐射，这种电磁发出电磁辐射，这种电磁辐射称为热辐射辐射称为热辐射.第第22页页第第22页页激光原理与技术激光原理与技术 黑黑体体辐辐射射或或平平衡衡辐辐射射:黑黑体体处处于于某某一一温温度度T T热热平平衡衡情情况况下下，则则它它所所吸吸取取辐辐射射能能量量应应等等于于发发出出辐辐射射能能量量，即即黑黑体体与与辐辐射射场场之之间间应应处处于于能能量量(热热)平平衡衡状状态态。显显然然，这这种种平平衡衡必必定定造造成成空空腔腔内内存存在在完完全全拟拟定定辐辐射射场场。这这种种辐辐射射场场称称为黑体辐射或平衡辐射。为黑体辐射或平衡辐射。单色能量密度单色能量密度 ：在单位体积内，频率处在单位体积内，频率处于于 附近单位频率间隔中电磁辐射能量。量附近单位频率间隔中电磁辐射能量。量纲为纲为焦耳焦耳米米3秒秒 第第23页页第第23页页激光原理与技术激光原理与技术普朗克量子化假设及黑体辐射普朗克公式：普朗克量子化假设及黑体辐射普朗克公式：腔内单位体积内，频率腔内单位体积内，频率处于处于 附近单位频率间隔附近单位频率间隔中光波模式数：中光波模式数：每个模式平均能量每个模式平均能量为：为：第第24页页第第24页页激光原理与技术激光原理与技术二、受激辐射和自发辐射概念二、受激辐射和自发辐射概念 辐射场辐射场 是构成黑体物质原子互相作用结是构成黑体物质原子互相作用结果，为简化问题，我们只考虑原子两个能果，为简化问题，我们只考虑原子两个能级级E E1 1和和E E2 2，并有并有 单位体积内处于两能级原单位体积内处于两能级原子数分别用子数分别用n n2 2和和n n1 1表示表示 第第25页页第第25页页激光原理与技术激光原理与技术自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级原子数。能级原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射自发辐射 原子数：原子数：E2E1N2N1h 第第26页页第第26页页激光原理与技术激光原理与技术写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程概率。时间内发生自发辐射过程概率。各各原子自发辐射光是独立、原子自发辐射光是独立、无关无关 非相干光非相干光。第第27页页第第27页页激光原理与技术激光原理与技术受激辐射受激辐射(stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 （、）温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1)/h附近，单位频率间隔附近，单位频率间隔 外来光能量密度。外来光能量密度。第第28页页第第28页页激光原理与技术激光原理与技术 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射原子数：受激辐射原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数第第29页页第第29页页激光原理与技术激光原理与技术W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程概率。受激辐射过程概率。则则受激辐射光与外来光频率、偏振方向、受激辐射光与外来光频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光放大作用。有光放大作用。令令 W21=B21 （、T）第第30页页第第30页页激光原理与技术激光原理与技术吸取吸取(absorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有也许被吸取，上述外来光也有也许被吸取，使原子从使原子从 E1E2。单位体积中单位时间内因吸取外来光而从单位体积中单位时间内因吸取外来光而从 E1E2 原子数：原子数：第第31页页第第31页页激光原理与技术激光原理与技术三、三、A A2121,B,B12 12,B,B2121 互相关系互相关系 热平衡状态标志是：热平衡状态标志是：1腔内存在着热平衡黑体辐射。腔内存在着热平衡黑体辐射。2腔内物质原子数按能级分布应服从热腔内物质原子数按能级分布应服从热平衡状态下玻尔兹曼分布平衡状态下玻尔兹曼分布 第第32页页第第32页页激光原理与技术激光原理与技术A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。第第33页页第第33页页激光原理与技术激光原理与技术爱因斯坦在爱因斯坦在 19从理论上得出从理论上得出爱因斯坦受激辐射理论为六十年代初试验上爱因斯坦受激辐射理论为六十年代初试验上取得激光奠定了理论基础。取得激光奠定了理论基础。B21 =B12第第34页页第第34页页激光原理与技术激光原理与技术自发跃迁爱因斯坦系数自发跃迁爱因斯坦系数A A21 21 意义意义:A A2121:原子在能级原子在能级 E2上平均寿命上平均寿命 S S 倒数倒数 第第35页页第第35页页激光原理与技术激光原理与技术设高能级En跃迁到Em跃迁几率为Anm，则激发态En自发辐射平均寿命为：第第36页页第第36页页激光原理与技术激光原理与技术 四、受激辐射相干性四、受激辐射相干性 自发辐射自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况是原子在不受外界辐射场控制情况下自发过程。大量原子自发辐射场相位是无下自发过程。大量原子自发辐射场相位是无规则分布因而是不相干。另外，自发幅射规则分布因而是不相干。另外，自发幅射场传播方向和偏振方向也是无规则分布，自场传播方向和偏振方向也是无规则分布，自发辐射平均地分派到腔内所有模式上。发辐射平均地分派到腔内所有模式上。第第37页页第第37页页激光原理与技术激光原理与技术受激辐射受激辐射 在外界辐射场控制下发光过程，因在外界辐射场控制下发光过程，因而容易设想各原子受激辐射相位不再而容易设想各原子受激辐射相位不再是无规则分布，而应含有和外界辐射是无规则分布，而应含有和外界辐射场相同相位。场相同相位。第第38页页第第38页页激光原理与技术激光原理与技术 在量子电动力学基础上能够证实：受在量子电动力学基础上能够证实：受激辐射光子与入射激辐射光子与入射(激励激励)光子属于同一光子属于同一光子态；或者说，受激辐射场与入射辐光子态；或者说，受激辐射场与入射辐射场含有相同频率、相位、波矢射场含有相同频率、相位、波矢(传播传播方向方向)和偏振，因而，受激辐射场与入和偏振，因而，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。射辐射场属于同一模式。大量原子在同一辐射场激发下产生受大量原子在同一辐射场激发下产生受激辐射处于同一光波模或同一光子态，激辐射处于同一光波模或同一光子态，因而是相干。因而是相干。第第39页页第第39页页激光原理与技术激光原理与技术13 光受激辐射放大光受激辐射放大 一、光放大约念一、光放大约念1.1.普通光源在红外和可见光波段是非相干光源普通光源在红外和可见光波段是非相干光源 例：黑体辐射源光例：黑体辐射源光子简并度子简并度 对对=30 30cmcm（微波）微波），n n 10103 3 黑体基本上是黑体基本上是相干光源相干光源T300K:第第40页页第第40页页激光原理与技术激光原理与技术即使提升黑体温度，也不也许对其相干性即使提升黑体温度，也不也许对其相干性有主线改进。有主线改进。n n 1 1，=1 1 m,m,黑体温度黑体温度高达高达50000K。对对=60 60 m m （远红外辐射），（远红外辐射），n n 1 1 而对而对=0.6 0.6 m m （可见光），（可见光），n n 1010-35-35，即，即在一个光波模内光子数是在一个光波模内光子数是1010-35-35个，个，(完全非相完全非相干光源干光源)。第第41页页第第41页页激光原理与技术激光原理与技术2.2.光放大概念光放大概念激光器基本思想激光器基本思想 受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。假如我们能使腔内某一特定模非相干光子。假如我们能使腔内某一特定模式式(或少数几种模式或少数几种模式)大大增长，而其它所大大增长，而其它所有模式有模式 很小，就取得一个或少数几种模式很小，就取得一个或少数几种模式高光子简并度。高光子简并度。第第42页页第第42页页激光原理与技术激光原理与技术光谐振腔光谐振腔:将一个充斥物质原子长方体空将一个充斥物质原子长方体空腔腔(黑体黑体)去掉侧壁，留两个端面壁。假如端去掉侧壁，留两个端面壁。假如端面腔壁对光有很高反射系数，则沿垂直端面腔壁对光有很高反射系数，则沿垂直端面腔轴方向传播光面腔轴方向传播光(相称于少数几种模式相称于少数几种模式)在在腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其它腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其它方向光则很容易逸出腔外。可实现光波模方向光则很容易逸出腔外。可实现光波模式选择。式选择。第第43页页第第43页页激光原理与技术激光原理与技术 光受激辐射放大光受激辐射放大:若轴向模式不是被原子若轴向模式不是被原子吸取吸取(受激吸取受激吸取)，而是由于原子受激辐射而，而是由于原子受激辐射而得到放大，即取得极高光子简并度。得到放大，即取得极高光子简并度。二、实现光放大条件二、实现光放大条件聚居数反转聚居数反转 在物质处于热平衡状态时，各能级上在物质处于热平衡状态时，各能级上原子数原子数(或称集居数或称集居数)服从玻尔兹曼统计分服从玻尔兹曼统计分布布 第第44页页第第44页页激光原理与技术激光原理与技术 即在热平衡状态下，高能级聚居数恒小即在热平衡状态下，高能级聚居数恒小于低能级聚居数于低能级聚居数.第第45页页第第45页页激光原理与技术激光原理与技术处于热平衡状态下物质只能吸取光子处于热平衡状态下物质只能吸取光子 若若 n2n1 物质光吸取能够转化为自己对立物质光吸取能够转化为自己对立面面光放大光放大。集居数反转集居数反转(也可称为粒子数反转也可称为粒子数反转)。只有。只有当外界向物质供应能量当外界向物质供应能量(称为激励或泵浦过称为激励或泵浦过程程)，从而使物质处于非热平衡状态时，集，从而使物质处于非热平衡状态时，集居数反转才也许实现。激励居数反转才也许实现。激励(或泵浦或泵浦)过程是过程是光放大必要条件。光放大必要条件。第第46页页第第46页页激光原理与技术激光原理与技术三、光放大物质增益系数与增益曲线三、光放大物质增益系数与增益曲线 激活物质激活物质(或激光介质或激光介质)：处于集居数反转状：处于集居数反转状态物质。一段激活物质就是一个光放大器。态物质。一段激活物质就是一个光放大器。放大放大(或增益或增益)系数：系数：表示光通过单位长度激活物质后光强增长百表示光通过单位长度激活物质后光强增长百分数。分数。第第47页页第第47页页激光原理与技术激光原理与技术光在介质中传播物理图像第第48页页第第48页页激光原理与技术激光原理与技术第第49页页第第49页页激光原理与技术激光原理与技术 若若n n2 2(z)-n(z)-n1 1(z)(z)与与z无关，则无关，则G(z)G(z)为常数为常数 增增益益饱饱和和效效应应:n n2 2(z)-n(z)-n1 1(z)(z)随随Z增增长长而而减减少少,因因而增益系数而增益系数G(z)G(z)也随也随z增长而减小效应增长而减小效应。单位体积内聚居单位体积内聚居数差值数差值 第第50页页第第50页页激光原理与技术激光原理与技术I I0 0为为饱和光强饱和光强。G G0 0小信号增益系数小信号增益系数（I II I0 0 ）。）。I I I I0 0不满足时称为大信不满足时称为大信号增益系数号增益系数(或或饱和增益系数饱和增益系数)第第51页页第第51页页激光原理与技术激光原理与技术增益系数也是光波频率增益系数也是光波频率 函数，函数，G(G(,I)I)随随 改变改变曲线称为曲线称为增益曲线增益曲线，称为称为增益曲线宽度增益曲线宽度。第第52页页第第52页页激光原理与技术激光原理与技术14 光自激振荡光自激振荡 一一.自激振荡概念自激振荡概念 损耗系数：光通过单位距离后光强衰减百分数损耗系数：光通过单位距离后光强衰减百分数 第第53页页第第53页页激光原理与技术激光原理与技术 激光器应包括光放大器和光谐振腔激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分，光腔作用下列：两部分，光腔作用下列：1模式选择。确保激光器单模模式选择。确保激光器单模(或少或少数轴向模数轴向模)振荡，从而提升激光器相干振荡，从而提升激光器相干性。性。2提供轴向光波模反馈。提供轴向光波模反馈。第第54页页第第54页页激光原理与技术激光原理与技术二、振荡条件二、振荡条件 阈值振荡阈值振荡：G G0 0=腔内光强维持在初始光强腔内光强维持在初始光强 振荡条件另一个形式表示形式：振荡条件另一个形式表示形式：G G0 0l l称为单程小信号增益称为单程小信号增益 第第55页页第第55页页激光原理与技术激光原理与技术1.满足了以上两个条件后，还要采用什么办法使受激辐射成为增益介质中主要发光过程，而不是自发辐射？2.要使受激辐射几率远不小于自发辐射几率，能够增长增益介质长度L3.技术上不能把介质做得无限长，实现这一设想办法是：采用光学谐振腔。如右图所表示这是一个简朴光学谐振腔平行平面腔。受激光在谐振腔中放大4.光学谐振腔作用第第56页页第第56页页激光原理与技术激光原理与技术15 激光特性激光特性 激光四性：单色性、相干性、方向性激光四性：单色性、相干性、方向性和高强度。和高强度。激光含有很高光子简并激光含有很高光子简并度。度。激光能够在很大相干体积内有很高相激光能够在很大相干体积内有很高相干光强。激光这一特性正是由于受激辐干光强。激光这一特性正是由于受激辐射本性和光腔选模作用才得以实现。射本性和光腔选模作用才得以实现。第第57页页第第57页页激光原理与技术激光原理与技术 一、激光空间相干性和方向性一、激光空间相干性和方向性 光束空间相干性相和方向性光束空间相干性相和方向性(光束发散角光束发散角)联联系。系。普通光源，有明显空间相干性条件为：普通光源，有明显空间相干性条件为：比如，一个抱负平面光波是完全空间相干光，比如，一个抱负平面光波是完全空间相干光，同时它发散角为零。同时它发散角为零。第第58页页第第58页页激光原理与技术激光原理与技术纵模纵模：光波场沿传播方向：光波场沿传播方向(腔轴方向腔轴方向)分分布布 E(z)横模横模:光波场在垂直于传输方向横截面上分光波场在垂直于传输方向横截面上分布布E(x,y),不同横模光场分布用不同横模光场分布用TEMmn 表表示，示，TEM代表光波是横电磁波，代表光波是横电磁波，m、n 分分别表示在别表示在x和和y方向方向(轴对称情况轴对称情况)光场经过零光场经过零值次数。值次数。TEM00模称为基模其它称为高模称为基模其它称为高次模。次模。第第59页页第第59页页激光原理与技术激光原理与技术 激光束空间相干性和方向性都与激光横模结构相联系激光束空间相干性和方向性都与激光横模结构相联系激光束空间相干性和方向性都与激光横模结构相联系激光束空间相干性和方向性都与激光横模结构相联系同一模式内光波场是空间相干，而其次，单横模结同一模式内光波场是空间相干，而其次，单横模结同一模式内光波场是空间相干，而其次，单横模结同一模式内光波场是空间相干，而其次，单横模结构又具有最好方向性。构又具有最好方向性。构又具有最好方向性。构又具有最好方向性。如果激光是多横模结构，不同模式光波场是非相干，如果激光是多横模结构，不同模式光波场是非相干，如果激光是多横模结构，不同模式光波场是非相干，如果激光是多横模结构，不同模式光波场是非相干，因此激光空间相干性程度减小，多横模就意味着方向因此激光空间相干性程度减小，多横模就意味着方向因此激光空间相干性程度减小，多横模就意味着方向因此激光空间相干性程度减小，多横模就意味着方向性变差性变差性变差性变差(高次模发散角加大高次模发散角加大高次模发散角加大高次模发散角加大)。这表明，激光方向性越好，。这表明，激光方向性越好，。这表明，激光方向性越好，。这表明，激光方向性越好，它空间相干性程度越高。它空间相干性程度越高。它空间相干性程度越高。它空间相干性程度越高。第第60页页第第60页页激光原理与技术激光原理与技术 限制激光器工作在单横模限制激光器工作在单横模TEM00 ，合理选择，合理选择光腔类型以及增长腔长以利于提升光束方向光腔类型以及增长腔长以利于提升光束方向性。性。许多实际原因，如工作物质不均匀性、光许多实际原因，如工作物质不均匀性、光腔加工和调整误差等都会造成方向性变差。腔加工和调整误差等都会造成方向性变差。激光所能达到最小光束发散角还受到激光所能达到最小光束发散角还受到衍射效应限制，它不能小于激光通过输衍射效应限制，它不能小于激光通过输出孔径时衍射角出孔径时衍射角衍射极限衍射极限 第第61页页第第61页页激光原理与技术激光原理与技术氦氖气体激光器氦氖气体激光器 不同类型激光器方向性差异很大，它与工作不同类型激光器方向性差异很大，它与工作物质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方物质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器工作状态相关。式以及激光器工作状态相关。第第62页页第第62页页激光原理与技术激光原理与技术气体激光器由于工作物质有良好均匀性，并气体激光器由于工作物质有良好均匀性，并且腔长一股较大，因此有最好方向性且腔长一股较大，因此有最好方向性 10103 3radrad，He_Ne激光器甚至可达激光器甚至可达3 3 10104 4rad rad,十分靠近其衍射极限。十分靠近其衍射极限。固体激光器方向性较差，普通在固体激光器方向性较差，普通在10102 2radrad量级量级.其主要原因是有许多原因造成固体材料光学非其主要原因是有许多原因造成固体材料光学非均匀性，以及普通固体激光器使用腔长较短和均匀性，以及普通固体激光器使用腔长较短和激励非均匀性等激励非均匀性等.半导体激光器方向性最差普通在半导体激光器方向性最差普通在(510)10102 2radrad量级量级第第63页页第第63页页激光原理与技术激光原理与技术 激光束空间相干性和方向性对它聚焦性能有主激光束空间相干性和方向性对它聚焦性能有主要影响。能够证实，当一束发散角为要影响。能够证实，当一束发散角为 单色光单色光被焦距为被焦距为f透镜聚焦时，焦面光斑直径透镜聚焦时，焦面光斑直径D为为：Df 极限情况下极限情况下 可得极高能量密度可得极高能量密度 第第64页页第第64页页激光原理与技术激光原理与技术 二、时间相干性和单色性二、时间相干性和单色性 单色性越高，相干时间越长。对于单横模单色性越高，相干时间越长。对于单横模激光器，其单色性取决于它纵摸结构和模式激光器，其单色性取决于它纵摸结构和模式频带宽度。假如激光在多个纵横上振荡，由频带宽度。假如激光在多个纵横上振荡，由多个相隔多个相隔(纵模间隔纵模间隔)不同频率光所组成，不同频率光所组成，故单色性较差。故单色性较差。理论分析证实，单模激光器谱线宽度极窄理论分析证实，单模激光器谱线宽度极窄比如，对单模输出功率比如，对单模输出功率P01mwHeNe激光激光器取器取 001，L=1m，则则为为5 5 10104 4H Hz z第第65页页第第65页页激光原理与技术激光原理与技术 在实际激光器中，不稳定原因在实际激光器中，不稳定原因(如温度、振如温度、振动、气流、激励等动、气流、激励等)造成光腔谐振频率不稳定造成光腔谐振频率不稳定因此单纵模激光器单色性主要由其频率稳因此单纵模激光器单色性主要由其频率稳定性决定定性决定 单模稳频气体激光器单色性最好固体单模稳频气体激光器单色性最好固体激光器单色性较差。半导体激光器单色性激光器单色性较差。半导体激光器单色性最差最差第第66页页第第66页页激光原理与技术激光原理与技术利用激光器高单模功率、高单色性和利用激光器高单模功率、高单色性和方向性，可取得极高功率密度。比如，方向性，可取得极高功率密度。比如，将一个千兆瓦级将一个千兆瓦级(109w)调调Q激光脉冲聚激光脉冲聚焦到直径为焦到直径为5 m光斑上，则所取得功光斑上，则所取得功率密度可达率密度可达1015wcm2。三、激光高强度三、激光高强度(相干光强相干光强)第第67页页第第67页页