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1、广东工业大学激光原理复习提纲自由空间中的电磁波:任意波矢k的平面波均可以存在!受边界条件限制空间的电磁波：只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。存在谐振腔内的一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波，称为光波的模式3、光的量子描述引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成光子的基本性质①一定种类的光子的能量,与一定的光的频率相对应ε=hvv—光的频率h—普朗克常数W=nhv=nhc/λ②.一定种类的光子的质量可表达为考虑相对论要求m0—光子的静止质量υ—光子的速度对于光子m0=0υ=c③.一定种类的光子具有动量P,与一定的光的频率和传播方向相
2、联系n0—光子行进方向上的单位矢量④.一定种类的光子,具有一定的偏振状态.(同一状态的光子具有相同的偏振状态。）从波动的观点得到光的模式数，与从光子的观点得到光子的量子状态数是相同，两者在概念上是等效的。二、光与物质的三种相互作用过程:1、自发发射、受激发射、受激吸收.(1).自发发射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hv。(2).受激辐射:——原处于高能级E2的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子的激励,发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1。(3).受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为hv
3、=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2三、谱线增宽1、定义线型函数:线型函数f(v)表示某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布。2、均匀与非均匀增宽的特点自然增宽、碰撞增宽——洛仑兹型（Lorentz型）——均匀增宽均匀增宽的特点:每个原子都以整个线形发射，每个粒子对谱线不同频率部分的贡献都相同,因此无法把线型函数上某一特定频率部分与某些特定粒子相联系多普勒增宽——高斯型（Gauss型)——非均匀增宽非均匀增宽的特点：原子体系中不同原子向谱线的不同频率发射，或者说，每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区
4、分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的。接收频率3.这两种线型函数都是“钟形”曲线，但它们大不相同。如图(1-18)所示。图(1-18)两种线型函数的比较四、产生激光的基本条件及实现方法:1.受激发射强度超过受激吸收强度----用外界激励能源破坏热平衡分布,实现粒子数反转2.受激发射强度超过自发发射强度----用光学谐振腔实现光放大,提高光子简并度(相干性)3.粒子数反转分布(1).反转条件:破坏热平衡分布(正常分布)的条件(2).反转粒子数密度△n:用来衡量反转程度的物理量定义:于是,反转条件变为:△n＞0(3).等效温度Teq:反转条件
5、变为(4).实现反转的手段:激励或泵浦(pumping)或抽运五、激光器的三个主要组成部分及作用——工作物质、激励能源、谐振腔介质的增益系数:G——代表介质对光波的放大能力证证明I0:初光强，l:传播距离,I:末光强例：激光束通过长0.5m的激光介质后，光强增至初始光强的e倍，求此介质的增益系数.(不考虑增益饱和)解光腔据稳定条件的数学形式,稳定腔:非稳腔:或临界腔:或g1g2=0描述光腔稳定性的g参量,定义:其中L----腔长(二反射镜之间的距离),L＞0;Ri----第i面的反射镜曲率半径(i=1,2);符号规则:凹面向着腔内时(凹镜)Ri＞
6、0,凸面向着腔内时(凸镜)Ri＜0。六、光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:对称共焦腔——腔中心是两镜公共焦点且：R1=R2=R=L=2FF——二镜焦距∵g1=g2=0∴g1g2=0可以证明，在对称共焦腔内，任意傍轴光线可往返多次而不横向逸出，而且经两次往返后即可自行闭合。这称为对称共焦腔中的简并光束。整个稳定球面腔的模式理论都可以建立在共焦腔振荡理论的基础上，因此，对称共焦腔是最重要和最具有代表性的一种稳定腔。1——平行平面腔2——半共焦腔3——半共心腔4——对称共焦腔5——对称共心腔稳区图七、均匀增宽介质的增益系数和增益饱和1.小信号粒子数
7、密度反转分布由式可得：它是当分母中的第二项为零时的粒子数密度反转分布值。而分母中的第二项一定是个正值，因此它又是粒子数密度反转分布值可能达到的最大值。显然只有在谐振腔中传播的单色光能密度可能趋近于零(ρ0即I0)，换句话说，参数对应着谐振腔的单色光能密度为零或者近似为零时的粒子数密度反转分布的大小。Δn0称作小信号反转粒子数密度,它正比于受激辐射上能级寿命τ2及激发几率R2.2、饱和效应:随着I的增大,G和△n不增反降的现象标志介质受激放大能力的物理量─增益系数G,可以表示为3、增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一
8、个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。谱线中心频率是和的对称轴,在处它们有最大值;越大,和越小.(2)时,
