文档介绍：▲光与原子相互作用
1)相同能量和动量属同一本征模式且不可区分2)同一模式光子数目无限制3)电磁场可看作一系列本征模式线性叠加4)边界条件限制的电磁波只允许驻波
光波模式数: 光波相干长度:
每个模式能量: 模式数密度:
黑体辐射公式:(辐射场能密度)
1)自发辐射:无需外来光,随机发光,发出光子不相干,能量分布多个模式。
几率: 光子数:
2)受激吸收:几率: 辐射场能量密度
3)受激辐射:与外来光子一样的特征,是相干光
三者相互关系式:
▲激光形成、特性
反转粒子数:外界向物质提供能量增益大于损耗:自激振荡的阈值条件
增益: 损耗:单程损耗衍射损耗
输出损耗:或()
特性:单色、相干、方向、高强度参数:波长、模式、发散角、功率
▲光学谐振腔
g参数: 稳定腔条件:
光线传输: 传播L: 反射镜:凹R为正
介质交界: 球面透镜:
谐振腔内往返一周:
n周:
▲谐振腔衍射
渡越时分布情况不再受衍射影响,只有整体按同样比例衰减。
方形共焦:渡越方程:
方程解:
Hm(x):
特性:1)基模半径:振幅降至最大值的1/e 2)模参数m、n是沿x、y轴的节线数 3)镜面为等相位面 4)同一横模菲涅耳数N越大,损耗率越小 5) 菲涅耳数N相同时,模的阶次越高,损耗率越大
基膜体积: 、为镜面光斑半径
谐振频率: 存在频率简并现象
行波场:
光波半径: 腰斑半径: f共焦参数
圆形共焦:
解:
一般稳定球面腔:任意一个稳定腔都存在一个等价共焦腔
有:
▲高斯光束
表达式:
q定义: 计算:
传输规律: ABCD为光学变换矩阵各项
传播L: 通过透镜:
透镜变换:(l:束腰到透镜距离)
一些经验规律:1)透镜焦距两倍等于物光束在透镜处等相面半径时,物、像光束自再现 2)使用小焦距透镜(F<f)或将透镜置于腰处(l=0)或距腰足够远处(l>>f)可实现聚焦 3)一般利用倒装望远镜准直,短焦距聚焦,长焦距准直
▲谱线加宽
由于各种因素的影响,自发辐射是分布在中心频率附近一个很小的范围内
线性函数: 反映发光粒子或光源光谱线形状
均匀加宽:每一个发光粒子发的光对谱线内的任一频率都有贡献
自然加宽:
自然线宽上能级寿命
碰撞加宽(气):类似自然加宽综合:
非均匀加宽:每一个发光粒子只对谱线内的某些确定的频率才有贡献
多普勒: (m取kg!)
▲速率方程
跃迁几率:
三能级方程:(实箭头:主要方向)
:第l模式光子寿命
四能级系统:类似三能级写法
▲小信号增益
三能级:简化: (即)
简化方程:
由解出:
反转粒子数: 反转条件:
四能级:简化: 、(即、)
简化方程:
方程转化为:
反转粒子数: 反转条件:
小信号增益系数:入射光强较小,光强不影响反转粒子数
增益系数: :初光强:末光强:传播距离
增益系数与反转粒子数:
介质光速
均匀加宽:
非均匀加宽:
荧光线宽:下降到一半时,激光介质自发辐射产生的光谱线宽
峰值增益系数:He-Ne CO2 d/mm /mm-1
▲大信号增益
大信号增益系数:入射光强较大,光强影响反转粒子数
均匀加宽:反转粒子数:
增益系数:
饱和光强:He-Ne CO2 d/mm
反转粒子数饱和:当入射光强达到可与相比的程度时
性质:在处取极大,饱和线宽
结论:1)、大信号增益系数是小信号增益的一半2)偏离中心频率越远, 饱和效应越弱3)大信号增益系数小于小信号增益系数
强光作用下弱光的增益系数:(强光模式对刚起振的弱光模式的影响)
饱和线宽
非均匀加宽:反转粒子数的烧孔效应:入射光为时,反转粒子数在、减少孔宽孔深:
增益系数:
性质:在处取极大,饱和线宽
烧孔效应: 孔宽孔深:
其中:小信号峰值增益系数,稳定工作时等于阈值增益系数
▲发射截面与吸收界面
能流密度:单位时间流过垂直于波传播方向单位面积的能量。
能流:单位时间流过垂直于波传播方向某块面积的能量。
输出功率:(T<) T为镜面透射率
发射截面:定义: 均匀加宽:
非均匀加宽: 吸收界面:
▲模式竞争
激光形成条件:阈值增益系数阈值反转粒子数:
激光纵模:起振频率 q:纵模序数 L:腔长
性质:1)不同纵模对应不同的驻波场分布2)纵模序数对应驻波场波节个数3)纵模间隔与序数无关,在频率上等距排列4)纵模间隔与腔长成反比
振荡线宽:小信号增益中大于的线宽。激发参量
均匀加宽: 非均匀加宽:
起振模式数:([]取整函数)
模式竞争:满足振荡条件的激