第3章激光测试基础ppt课件.ppt

《第3章激光测试基础ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章激光测试基础ppt课件.ppt（78页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、光机电测控技术基础,任课教师:严晗武汉理工大学机电工程学院,第3章 激光测试基础,目录3-1 激光的基本性质3-2 激光原理概述3-3 激光器的分类和特点3-4 激光准直技术3-5 激光多普勒测速技术3-6 激光测距技术,激光技术发展史,1. 1917年：爱因斯坦在关于辐射的量子力学一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;,2. 20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论； 激光器方案的提出；,3. 1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；,4. 1960年至今：激光技术飞速发展。,Laser “激光”,Laser,“通过受激辐射实现光放大”,Light Am

2、plification of Stimulated Emission of Radiation,引 言,激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是许多测试技术的基准。,3-1激光的基本性质,原子能级和辐射跃迁,为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要了解原子能级的概念；为了知道在不同的能级上原子的数量，需要了解简并度的概念。,激光的基本原理,3-1激光的基本性质,原子的能级,物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。,角动量L=rp,3-1激光的基本性质,主量子

3、数n，n1，2，3，大体上决定原子中电子的能量值不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数l , l=0,1,2,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用s, p, d, f字母表示;磁量子数m=0，1，2， l. 决定轨道角动量在外磁场方向的分量;自旋量子数ms= 1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;,原子的能级,原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：,3-1激光的基本性质,原子的能级,电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态,电子的能级，依次用E0，E1，E2， En表示； 基态：

4、原子处于最低的能级状态； 激发态：能量高于基态的其它能级状态；,3-1激光的基本性质,简并能级、简并度,简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。,氢原子1s,2p态的简并度,3-1激光的基本性质,原子的电子组态,根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数n表示，称K、L、M层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,分别表示l=0,1,2,；,3-1激光的基本性质,原子的电子组态,泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数；电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正

5、常情况下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。,电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数n和l的竞争；,只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。,3-1激光的基本性质,波尔兹曼分布,现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：,式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度； ni表示处在Ei能级的原子数,分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系,热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的

6、粒子数,3-1激光的基本性质,辐射跃迁和非辐射跃迁,高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。发射吸收,3-1激光的基本性质,（1） 自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 , 这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,3-1激光的基本性质,自发辐射过程的概率只与初态E2上的原子数密度N2有关，单位时间内，因自发辐射跃迁而产生的光子数的密度为,A21 自

7、发辐射系数，物理意义：单位时间内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级的原子数密度中所占有的比例，或者说是每一个处于高能级的原子在单位时间内发生自发辐射的概率。,3-1激光的基本性质,E2能级上的原子数减少到原来的1/e， 称 为原子在E2上的平均寿命，或简称为能级的寿命,N20为t=0时的N2值,3-1激光的基本性质,各个原子的各个能级的平均寿命与原子结构有关。一般来说，原子激发态的平均寿命的数量级为10-8秒，有一种特殊的激发态，原子在此激发态上的寿命特别长，可以达到10-41秒亚稳态,如果在能级En以下存在着不止一个较低的能级，则能级平均寿命的更一般的表达式为,3-1激光的基本性质,（2）

8、 受激吸收,原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.,3-1激光的基本性质,设频率为 的外来光子的单色辐射能量为 ，低能级E1上的原子数密度为N1，则单位时间内由于吸收外来光子从E1跃迁到高能级E2上的原子数密度,称为受激吸收的跃迁概率,B12为受激吸收系数，如果令,3-1激光的基本性质,自发辐射概率 对每一个能级系统是一常数，而对于受激吸收，只有受激吸收系数 对每一个能级系统为常数，而受激吸收跃迁概率W12与入射光强有关，不是常数,是在单色辐射能量密度为 的光作用下，在单位时间内产生受激吸收的原子数在E1能级的原子数密度中所占的比例，也就是处在E1

9、能级的每一个原子在单位时间内发生受激吸收的概率，W12称为受激吸收的跃迁概率。,3-1激光的基本性质,（3） 受激辐射,由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.,原子中处于高能级 的电子,会在外来光子(其频率恰好满足 )的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.,3-1激光的基本性质,如果处于能级E2上的原子数密度为N2，入射光单色辐射能量密度为 ，则在单位时间内受激辐射的原子数密度为,B21为受激辐射系数，令,W12是单位时间内，在单色辐射能量密度 (v) 的入射光作用下，由于受激辐射跃迁到能级E1的原子数密度在E2能级总原子数密度中所占比例，也就是在

10、E2能级上每个原子在单位时间内发生受激辐射的概率，所以 W12 称为受激辐射概率,3-1激光的基本性质,一个原子系统中有处于能级E2的原子时，就有自发辐射，而这种自发辐射的光子对于原子就是外来光子，会引起它的受激辐射的发生（也有受激吸收发生）。占优势，证明，在热平衡体系中,（i）受激辐射跃迁概率 与自发辐射跃迁概率A21的关系。,越小，T越大，受辐射跃迁的概率与自发辐射跃迁概率比值越大。,3-1激光的基本性质,当光和原子相互作用时，必然同时存在着自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程，表征三种过程的三个系数A21 、 B12 和B21之间存在联系，可以证明,B12=B21=B,（ii）自发辐射、

11、受激吸收和受激辐射的关系,3-1激光的基本性质,粒子数反转分布,表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 . 叫做粒子数反转分布.,已知,3-1激光的基本性质,一般情况 :,数量级估计：,T 103 K；, kT1.3810-20 J 0.086 eV;,E 2-E 11eV,( k = 1.3810-23 J/K ; 1eV= 1.610-19 J ), l = c/v= hc / (E2-E1) = 1.24 mm ;,3-1激光的基本性质,3-1激光的基本性质,要实现粒子数反转，必须具备一定条件：一是要具备必要的能源（如光源、电源等），把低能级上原子尽

12、可能多的激发到高能级上去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者叫“抽运”、“泵浦”；二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质，这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳态，这种物质称为激活介质。,产生激光的基本条件是粒子数反转分布,3-1激光的基本性质,有些物质具有亚稳态，它不如基态稳定，但比较激发态要稳定得多，如红宝石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转。,三能级系统和四能级系统的工作物质,3-1激光的基本性质,1. 粒子数反转,四能级系统,2. 光学谐振腔,激光原理,受激辐射,四能级系统,3-1激光的基本性质,当红宝石受到强光照射时，铬离

13、子被激励，使处于基态的大量铬离子吸收光能而跃迁到激发态 上，被激发的铬离子在 能级上的平均寿命很短，约为 ，所以很快转移到 能级上， 此能级寿命较长（10-3秒），因而不立即以自发辐射的方式返回基态,3-1激光的基本性质,光学谐振腔与阈值条件,激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。,设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而将其它方向传播的光抑制住，以致在这一特定方向超过自发辐射，这样就能在这一方向上实现受

14、激辐射占主导地位的情况，从而获得方向性和单色性很好的强光激光，这种装置叫做光学谐振腔。,3-1激光的基本性质,实现光振荡，有放大元件、正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起正反馈、谐振和输出的作用工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜（两反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它们相互平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。,3-1激光的基本性质,光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡.,加强光须满足驻波条件,3-1激光的基本性质,3

15、-1激光的基本性质,在有了激活介质和谐振腔的条件下还不一定能产生激光，因为光在谐振腔内来回反射的过程中，对光强变化的影响存在两个独立因素：,（1）激活介质中光的增益，它使光强变大；（2）端面上光的损耗（包括衍射、吸收、透射等），它使光强变小。,要使光强在谐振腔内来回反射的过程中不断得到加强，就必须使增益大于损耗，这就是阈值条件。,3-1激光的基本性质,37,3-1激光的基本性质,激光的方向性描述方法：发散角：光源发光面所发出光线中，两光线之间的最大角，一般用2表示，单位为rad。立体角：球冠曲面S对光源O所张的空间角，单位为sr，可用下式描述整个球面对球心所张的立体 角是4(sr)。,激光的特

16、性：,激光的方向性激光器的发散角接近该激光器的出射孔径所决定的衍射极限。可以表示为,例：对氦氖激光器，若=0.63m，d = 3mm，则光束发散角为2210-4rad。,当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为,常用激光器的光束方向性能：气体激光器方向性最好，其发散角约为10-310-6rad；固体激光器的方向性较差，一般为10-2rad量级。半导体激光器的方向性最差，一般在（510）10-2rad，且两个方向的发散角不一样。,3-1激光的基本性质,激光的高亮度定义：亮度为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围内辐射的能量，可表示为亮度的单位是W/m2 sr；,一般激光

17、器的发光立体角大约为10-6sr，其发光亮度比普通光源大百万倍。正是由于激光能量在空间和时间上的高度集中，才使得激光具有普通光源所达不到的高亮度。,激光的亮度水平：一个普通的调Q红宝石激光器发射的激光，其脉冲功率很容易达到106W的水平，其亮度是太阳的1010倍。目前的超短脉冲激光器能产生短至4.6fs的超短脉冲，光功率密度可高达1020W/cm2，其亮度就更高了。,3-1激光的基本性质,激光的单色性单色性是指光强按频率（波长）的分布状况。描述方法：用频谱或波长分布的宽度（线宽）来描述激光的单色性能：单模稳频He-Ne激光器，其发出的谱线的线宽与波长的比值可达 。普通光源中，单色性最好的同位素

18、86Kr放电灯在低温下发出波长0.6057m的光，,3-1激光的基本性质,激光的时间相干性概念：激光的时间相干性指在一空间点上，由同一光源分割出来的两光波之间位相差与时间无关的性质，即光波的时间延续性。可以理解为，同一光源发出的两列光波经不同的路径，在相隔一定时间c后在空间某点会合，尚能发生干涉，c称为相干时间。概念：在迈克尔逊干涉仪中，当两光路光程差小于光振动波列本身的长度L时，在观察点P处还有一部分干涉，可看到干涉条纹。当光程差大于振动波列本身的长度L时，两列波完全不相干，则看不到干涉条纹。我们把两波列间允许的最大光程差称为光源的相干长度，记作Lc，它等于光振动的波列本身的长度。,3-1激

19、光的基本性质,激光的时间相干性经过简单推导有下式成立：,结论：光谱线宽度和越窄，光的相干长度Lc和相干时间c越长，光的时间相干性越好。所以激光的时间相干性比普通光源所发出的光好得多。,例如，用86Kr灯作光源的干涉仪，理论上其相干长度Lc=77cm，这与非受激发射的普通光源相比已是最长的了；但利用稳频He-Ne激光器（0.6328m）作光源，若其频率稳定度为10-11，干涉仪的相干长度可达几千公里。,3-1激光的基本性质,激光的空间相干性概念：空间相干性是指同一时间，由空间不同点发出的光波的相干性。如果用单模激光器作光源，由于这种激光光束在其截面不同点上有确定的位相关系，因此可产生干涉条纹，即

20、单模激光光束的空间相干性很好。例如：尺寸为100m的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距光源500mm放置时，横向相干长度大约为0.25mm，而激光器的横向相干长度可达100mm以上。,3-1激光的基本性质,激光的纵模与横模1）激光的纵模光波是一种电磁波，每种光都是具有一定频率的电磁振荡。当谐振腔的光学长度等于半波长的整数倍的那些光波，将形成稳定的振荡，因为这些光波在多次反射中相位完全相同而得到最有效的加强。谐振条件：,所以原则上谐振腔内有无限多个谐振频率。每一种谐振频率的振荡代表一种振荡方式，称为一个“模式”。对于上述沿轴向传播的振动，称为“轴向模式”，或简称为“纵模”。,结论：纵模的频率间隔与谐振腔

21、的光学长度成反比，与纵模的模序数q无关，在频谱上呈现为等间隔的分立谱线，称之为谐振频率。只有那些落在增益曲线范围内，并且增益大于损耗的那些频率才能形成激光。其他频率的光波都不能形成激光振荡。在这里谐振腔起了一种频率选择器的作用，正是由于这种作用，才使激光具有良好的单色性。,3-1激光的基本性质,激光的纵模与横模2）激光的横模激光光束的截面形状除对称的圆形光斑以外，还会出现一些形状较为复杂的光斑，如图所示。激光的纵模对应于谐振腔中纵向不同的稳定的光场分布。光场在横向不同的稳定分布，通常称为不同的横模。,在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。,3-1激光的基本性质,从

22、点光源发出的光波，在各向同性介质中传播时形成球形的波面，称为球面波。一个复杂的光源常常可以看做是许多点光源的集合,它所发出的光波就是球面波的叠加球面波的等位相面是一组同心球面，每个点上的振幅与该点到球心的距离成反比平面上发散球面波复振幅分布为,球面波及其复振幅表示,3-2 激光概述,在任意时刻、与波矢量相垂直的平面上振幅和位相为常数的光波称为平面波如波矢量 表示光波的传播方向，其大小为 ，方向余弦为 ，则平面波传播到空间某点的复振幅的一般表达式为图中用虚线表示出相位值相差 的一组波面与平面 的交线，即等位相线；它们是一组平行等距的斜直线,平面波及其复振幅表示,3-2 激光概述,传播矢量 位于

23、平面的平面波在 平面上的空间频率 。时间倒数：频率；长度倒数：空间频率，即在单位长度内周期函数变化的周数（单位：周/mm，线对/mm，L/mm，等 ）信息光学中有两种空间频率，一种是空间强度分布，单位为：周/mm，线对/mm，L/mm，等，对二维图象进行频谱分析得到的图象频谱对应的空间频率。另一种是平面波对应的空间频率，因为电磁波在均匀介质中波长是常数，在其传播方向上空间频率是不变的。,空间频率的物理意义,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的描述由凹面镜构成的稳定谐振腔产生的激光束既不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，如图所示。,3-2 激光概述,高斯光束高斯

24、光束的描述沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为,波数K2/,（z）称为z点的光斑尺寸，它是z的函数，即0是z = 0处的光斑尺寸，它是高斯光束的一个特征参量，称为光束的“束腰”；,R(z)是在z处波阵面的曲率半径，它也是z的函数,是与z有关的位相因子,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的特性1）z = 0的情况将z = 0代入电矢量表达式，得出z = 0处的电矢量表达式为特点：与x, y有关的位相部分消失，即z = 0的平面是等相面，它与平面波的波阵面一样； 振幅部分是一指数表达式，这种指数函数叫高斯函数，通常称振幅的这种分布为高斯分布光斑中心最亮，向外逐渐减弱，但无清晰的轮廓。通常以电矢

25、量振幅下降到中心值1/e（光强为中心值的1/e2）处的光斑半径作为光斑大小的量度，称为束腰。,注意：高斯光束在z = 0处的波阵面是一平面，这一点与平面波相同，但其光强分布是一种特殊的高斯分布，这一点不同于平面波。也正是由于这一差别，决定了它沿z方向传播时不再保持平面波的特性，而以高斯球面波的特殊形式传播。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的特性2）z = z0 0的情况当z = z0 0时，电矢量E的表达式为,上式的相位部分表示高斯光束在z = z00处的波阵面是一球面，其曲率半径为R（z0） ，由定义式知 即波阵面的曲率半径R（z0）大于z0，且R随z而异，即作为波阵面的球面的曲率中心不

26、在原点，而且随中心不断变化，如图所示。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的特性2）z = z0 0的情况,电矢量E的振幅值与z = 0处相仿，但仍中心最强，同时按高斯函数形式向外逐渐减弱，此时光斑尺寸为从上式可知，在z = 0处的光斑尺寸最小，该点的光斑尺寸0为束腰，而(z)随z增大，表示光束逐渐发散。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的特性2）z = z0 0的情况,通常以2来描述光束的发散角，其表达式为当z = 0时，20 ；当 时， ；当z时， 远场发散角通常称z = 0到 的范围为准直距离，在此区间发散角最小。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的特性3）zz0的情况与zz0相似，

27、它的振幅分布在zz0处完全一样，只是 R（z0）R（z0），在z0处是一个沿z方向传播的发散球面波，而在z0处，则是沿z方向传播的会聚球面波，两者曲率半径的绝对值相等。,小结：高斯光束在z0处是沿z方向传播的会聚球面波，当它到达z = 0处变成一个平面波，当继续传播时又变成一个发散的球面波。光束各处上的光强分布均为高斯光束。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的变换1）高斯光束的复曲率半径将高斯光束电矢量公式改写为,定义复曲率半径为,参数q（z）将高斯光束的两个基本参数（z）和R（z）统一在一个表达式中，它是表征高斯光束的又一个重要参数。一旦确定光束在某位置处的q（z）值，便可求出该位置处的（

28、z）和R（z）。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的变换1）高斯光束的复曲率半径如果以q0=q(0)表示z = 0处的复曲率半径，并注意到R(0)，(0)=0，则按定义式 ，有,由此得出,将（z）和R（z）的定义式代入q（z）的定义式，经适当运算可得,这就是高斯光束的复曲率半径在自由空间（或均匀各向同性介质)中的传输规律,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的变换2）高斯光束通过薄透镜的变换,=,入射球面波M ，经过薄透镜后将转变成球面波M，有,强调：高斯光束的复曲率半径q(z)和普通球面波的曲率半径R(z)有一样的形式和作用。,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的变换3）高斯光束通过复杂透镜

29、的变换高斯光束通过复杂透镜系统的变换关系，遵循ABCD变换定律，表示为,同理，对复杂光学系统有:,3-2 激光概述,高斯光束高斯光束的聚焦为使高斯光束获得良好的聚焦，通常采用短焦距透镜，或者使高斯光束束腰离透镜甚远。,在入射光束的束腰处,在A处,在B处,在出射光束的束腰处,当 l f 时，有,3-2 激光概述,光学谐振腔的构成和作用,一、光学谐振腔的分类,1、开腔,（1）按腔形分类 条形腔、 折叠腔、 环形腔；,（2）按腔镜分类 平面镜腔、 共轴球面镜腔、 其他镜腔,（3）按介质分类 单介质腔、 多介质腔、 插件复合腔；,2、半开腔：半导体波导腔,3、波导腔, 气体介质波导腔、 固体介质波导腔

30、,3-2 激光概述,二、共轴球面镜条形腔,1、平面镜腔（F-P腔）,2、凹球面镜腔,（1）共焦腔, 对称腔, 非对称腔,3-2 激光概述,（2）共心腔, 对称球面镜腔, 非对称球面镜腔,（3）平凹球面镜腔, 半焦腔, 一般平凹腔,3-2 激光概述,（4）其他腔, 凹凸腔：, 双凸腔：,三、光学谐振腔的作用,1、提供正反馈（放大）作用 决定于两个因素,（1）腔镜的反射率（反射率越高；反馈能力越强）；,（2）腔镜的形状及组合方式。,2、控制振荡光束，表现在三个方面,（1）控制纵模的数目光的模式少，光子的简并度高,（2）控制高阶横模基模光强大、光斑小、发散角小,（3）控制腔内光束的损耗在增益一定的条

31、件下，通过控制损耗来控制激光的输出。,3-2 激光概述,光学谐振腔的模式,一、模式的分类,1、条形腔中的驻波模式；,2、环形腔中的行波模式；,二、条形腔中的驻波模式,1、驻波条件,2、驻波参数,（1）谐振腔的光学长度：长度=折射率 几何长度,（2）谐振腔的波长和频率,3-2 激光概述,3-2 激光概述,3、纵模、横模,（1）纵模:介质一定q与成反比。一个q 对应一个，相邻纵模的频率间隔,3-2 激光概述, 纵模的决定因素,a、荧光谱宽 越宽纵模越多,b、腔长L越长， 越小纵模亦越多。,激光纵模输出的特点：,（1）满足谐振条件,（2）必须在激活介质荧光谱线内,（3）满足阈值条件.,3-2 激光概

32、述,（2）横模谐振腔内垂直于光传播方向场分布稳定的模式, 横模的分布特征,a、方形镜: TEMmn,b、圆形镜: TEMpl,3-2 激光概述, 横模的形成,a、谐振腔中稳定的激光等效于任何波面的光通过一系列相同光栏后形成的自再现光场（高斯光束）,b 、光栏有衍射，因此在光束的不同位置光将形成干涉叠加，这种稳定的叠加就形成了横模,c 、不同位置稳定场形成的条件不同，故而有不同频率。不同频率的横模的光场有不同的横向分布，它们是重叠在激光腔的同一空间内。,3-2 激光概述,3-2 激光概述,光学谐振腔的损耗、Q值及线宽,在激光振荡过程中, 光腔的损耗决定了振荡阈值和激光的输出能量. 本节讨论表征无

33、源腔质量的品质因素Q值及线宽,一、光学谐振腔的损耗,1、损耗的种类,（1）几何损耗：非平行轴的光线，折、反出腔外的损耗。, 光腔结构和尺寸影响的损耗；, 横模阶次的高低不同损耗不同。一般，高阶模的损耗大。,（2）衍射损耗：反射镜尺寸有限、腔中有插件，必有衍射。, 损耗与菲涅尔数N=a2/(L)有关，该常数越小，损耗越大。, 与腔的几何结构有关，参数g=1-L/R越小损耗越大。, 与横模的阶次有关，阶次越高损耗越大。,3-2 激光概述,（3）腔镜反射不完全引起的损耗, 反射镜吸收、散射引起的损耗；,反射镜的部分出射引起的损耗（对固体激光器可达50%）,（4）非激活吸收、散射引起的损耗, 腔内加插

34、件引起的损耗,a、产生偏振光的布儒斯特窗口,b、提高激光瞬间强输出功率的调Q 元件,c、各种用途的加载调制元件,3-2 激光概述,2、光腔损耗的唯象定量描述,（1）平均单程损耗因子 ：设 I 是 I0 经往返后的光强，则,如果损耗是由多种因素引起的, 每一种损耗可用相应的损耗因子 i 来描述,则总 损耗 :,表示总损耗因子为各相应损耗因子的总和.,（2）光子的平均寿命, 定义：和原子能级平均寿命的概念相似。设光子的平均寿命能维持在谐振腔中m次往返，则,3-2 激光概述,注：谐振腔长度一定后R1/或1/R于是有,二、无源腔的品质因数（Q）,1、定义：,式中为腔内电磁场振荡频率,设腔内储藏的能量为w, 单位时间内损耗的能量为 -d W /d t,腔内光能量衰减规律,3-2 激光概述,当腔内存在多种损耗时,W 0 是腔内储藏的初始光能量,3-2 激光概述,三、无源腔的线宽, 线宽与损耗：,根据傅里叶分析，得,由衰减引起的频宽与损耗系数成正比,过程：,3-2 激光概述, Q值与线宽：,强度的一半,3-2 激光概述,