激光的相干性讲解
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光学经典理论激光光学的几个重要原理激光是光学研究十分重要的一个方向,今天为大家整理了一些关于激光光学的几个重要原理,相信很多的朋友们应该会喜欢,可以收藏一下。
激光的产生说到激光的产生就要先从原子结构说起。
卢瑟福通过α粒子散射实验得出了原子的行星模型,依照公认的电动力学法则,绕核运动的电子将连续发光,并因能量损耗终将崩溃落人核内,这与观察到的分立光谱线并不一致。
女人上了年纪,改如何保养?广告为了解决这一矛盾,1913年,玻尔提出了两点假没:第一点假设认为,电子只能在某些确定的轨道上运动,这就是所谓的“定态”,电子只要停留在这些态中的任何一个,它就不会发光;第二点假设认为只有当电子从一个较高能量的定态跃迁到一较低能量的定态时,辐射才从原子中放出,放出的辐射能量等于两定态能量的差值,通过一个类似的逆过程,原子能够吸收一个辐射量子,使得一个电子跃迁到较高能量的定态。
玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题,以及光谱规律与原子结构的本质联系问题展开剩余97%原子发光的机理原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级,称之为原子跃迁。
爱因斯坦发现,若只有自发辐射和吸收跃迁,黑体和辐射场之间不可能达到热平衡,要达到热平衡,还必须存在受激辐射。
自发辐射与受激辐射当外来光子的频率满足hv=E2-E1时,使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射光子与入射光子属于同一光子态(或光波模式),具有相同的频率、相位、波矢、偏振。
——自发辐射系数——受激辐射系数受激吸收——受激吸收系数受激辐射与受激吸收的矛盾受激辐射使光子数增多,受激吸收使光子数减少。
受激辐射与自发辐射的矛盾要克服上述矛盾就需要粒子数反转。
受激辐射占优势,光通过工作物质后得到加强,获得光放大。
激光的产生条件:1、增益介质:激光的产生必须选择合适的工作物质,可以是气体、液体、固体。
在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。
激光的基本原理1相干性的光子描述考试内容:激光器的基本原理和理论。
内容包括激光器谐振腔理论、速率方程理论和半径典理论;典型激光器、激光放大器及改善与控制激光器特性的若干技术等相关基础知识。
激光的基本原理1.1 相干性的光子描述1.2 光的受辐射基本概念1.3 光的受激辐射放大1.4 光的自激振荡1.5 激光的特性开放式光腔与高斯光束2.1 光腔理论的一般问题2.2 共轴球面腔的稳定性条件2.3 开腔模式的物理概念和衍射理分析方法2.4 平行平面腔模的迭代解法2.5 方形镜共焦腔的自再现模2.6 方形镜共焦腔的行波场2.7 圆形镜共焦腔2.8 一般稳定球面腔的模式特征2.9 高斯光束的基本性质及特征参数2.1 0高斯光束q参数的变换规律2.1 1高斯光束的聚焦和准直2.1 2高斯光束的自再现变换与稳定球面腔2.1 3光束衍射倍率因子2.1 4非稳腔的几何自再现波型2.1 5非稳腔的几何放大率及自再现波型的能量损耗空心介质波导光谐振腔3.1 空心波导光谐振腔的构成和特征3.2 空心圆柱波导管中的本征模3.3 圆波导本征模的传输常数和损耗特性3.4 空心矩形介质波导管中的本征模3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗电磁场和物质的共振相互作用4.1 光和物质相互作用的经典理论简介4.2 谱线加宽和线型函数4.3 典型激光器速率方程4.4 均匀加宽工作物质的增益系数4.5 非均匀加宽工作物质的增益系数4.6 综合加宽工作物质的增益系数激光振荡特性5.1 激光器的振荡阈值5.2 激光器的振荡模式5.3 输出功率与能量5.5 单模激光器的线宽极限5.6 激光器的频率牵引激光放大特性6.1 激光放大器的分类6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性6.3 纵向光激励连续激光放大器的增益特性6.4 脉冲激光放大器的增益特性6.5 放大的自发辐射(ASE)6.6 光放大器的噪声激光器特性的控制与改善7.1 模式选择7.2 频率稳定7.3 Q调制7.4 注入锁定7.5 锁模激光振荡的半经典理论8.1 激光振荡的自洽方程组8.2 原子系统的电偶极矩8.3 密度矩阵8.4 静止原子激光器理论典型激光器和激光放大器9.1 固体激光器9.2 气体激光器9.3 染料激光器9.4 光纤放大器9.5 光纤激光器半导体二极管激光器和激光放大器10.1 半导体工作物质中的光增益10.2 半导体二极管激光器的基本结构10.3 对称三层介质平板波导中的本征模10.4 光强分布与约束因子10.5 半导体二极管激光器的主要特性10.6 半导体光放大器的主要特性。
第四节 激光特性激光和一般光源相较,优势很明确,确实是相干性专门好、亮度很高。
相干性的概念来源于波的干与,当两列频率相同、偏振方向相同的光在空间相遇,若是相位不同,可是值是确信的,就会显现明暗随空间转变的所谓条纹;若是相位不确信,就可不能显现干与条纹。
光学周密测量需要光的干与性专门好;相干光探测有很高的信噪比。
因此老是希望有功率越大越好的相干性光源。
1性概念衡量光的相干性,经常使用的参数有相干长度c L 、相干时刻c τ和线宽c ν∆。
相干时刻确实是光通过相干长度的时刻,C L c c /=τ;线宽和相干时刻的关系为c c ντ∆=/1。
所谓相干长度,确实是一列光分成两列光后再相遇,能够发生干与的最大光程差。
如图1-15,考虑一个长为L 的FP 干与仪,光在腔内来回一周回到起点,通过光程差为L 2,先动身的光和后动身的光相差时刻c L t /2=∆。
若是光的相干长度小于L 2,或相干时刻大于c L /2,干与仪的输出就没有明显的强度转变。
这确实是什么缘故一样的半导体激光器不能用于FP 干与仪的缘故。
因为一般的半导体激光器,相干长度只有几个厘米,小于FP 干与仪的腔长。
F-P 干与仪需要利用相干性专门好的激光器,例如He-Ne 激光器。
迈克尔孙干与仪和M-Z 干与仪的情形与此类似。
最近几年来进展光学断层扫描技术(OCT-Optical Coherence Tomography ),确实是利用了这一原理。
在量子光学里,相干态概念为知足最小测不准关系的态【参考文献《激光物理》,卢亚雄,余学才,张晓霞 编著,北京邮电大学出版社,2005年】。
在一维情形下,测不准关系2/h q p ≥∆∆取等号为最小测不准关系:2/h q p =∆∆ (1.4-1)其中p ∆为光子动量方差,q ∆光子位置方差,通常笼统称为不确信范围。
为了说明那个问题,咱们回到物理光学双狭缝干与的情形,那里有一个干与条件θλ∆≤∆x (1.4-2)式中x ∆为线光源的线宽,θ∆为光源对两狭缝的张角(图1-21)。
激光的特点1、相干性好2、方向性强3、单色性好1、相干性好一个几十瓦的电灯泡,只能用作普通照明。
如果把它的能量集中到1m直径的小球内,就可以得到很高的光功率密度,用这个能量能把钢板打穿。
然而,普通光源的光是向四面八方发射的,光能无法高度集中。
普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的,经过透镜后也不可能会聚在一点上。
激光与普通光相比则大不相同。
因为它的频率很单纯,从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播,可以用透镜把它们会聚到一点上,把能量高度集中起来,这就叫相干性高。
一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2•sr,比太阳表面的亮度还高若干倍。
具有高亮度的激光束经透镜聚焦后,能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温,这就使其可能可加工几乎所有的材料。
2、方向性强激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多,它几乎是一束平行线。
如果把激光发射到月球上去,历经38.4万公里的路程后,也只有一个直径为2km左右的光斑。
3、单色性好:受激辐射光(激光)是原子在发生受激辐射时释放出来的光,其频率组成范围非常狭窄,通俗一点讲,就是受激辐射光单色性非常好,激光的“颜色”非常的纯(不同颜色,实际就是不同频率)。
激光的单色性是实现激光加工的重要因素。
我们可以通过简单的物理实验来说明这个问题。
我们使用三棱镜,可以将一束太阳光分解成七色光谱带,其原理是日光其实是多种波长的光混合在一起的复色光,不同波长的光透过同一介质时,由于在介质中折射率的不同,使各色光的传播方向发生不同程度的偏折,因而在离开棱镜时就各自分散,形成光谱带。
典型灯泵浦YAG激光器原理在一个截面为椭圆形的腔体内,两个焦点上分别放置激光棒和氪灯,在一个焦点上(氪灯)发出一定波长的光,经过反射腔体内壁的反射,会聚在腔体的另一个焦点上(激光棒),使工作物质里的粒子受到激发,粒子受激吸收后,处于低能态的原子由于吸收了外界辐射而发生能级跃迁,继而释放出激光,产生的激光在全反射镜片和部分反射镜片之间进行来回振荡,当能量达到一定值时,就可以从部分反射镜片透过,这就实现了激光的输出。
激光的相干性着重研究和研发的激光技术,使用的是激光的相干性。
这里将从实际应用的相关原理出发,来阐述激光相干性的特征及其应用。
激光相干性是指,一个脉冲激光的光子的波长和幅度不会衰减,能够在空间和时间上保持相一致,这样就可以建立出一定规律的相干性状态。
通常激光器可以产生相干性状态,可以用来衡量激光束的相干性程度。
激光相干性可以用几个间接度量技术来分析,它们是相位相关性、光形像中心度量、谱宽度等。
激光相干性受到大量衰减因素的影响,如光束扩散、衍射和劈裂等,如果想要获得更高质量的激光束,就需要确保其相干性。
因此,激光相干性的应用主要是用来降低衰减因素的影响,获得更好的激光束质量,从而实现更好的测量精度、获得更强的集束机械能力等。
激光相干性在光学设计中也有重要的作用,比如普通的激光器可以运用激光器的相干性变大,使得集束能够达到更高的直径尺寸,从而提高激光器的功率分布。
这也是正确使用激光束来获得精度要求的依据。
此外,激光相干性还可以有效地用于激光切割、定位以及量测应用中,以提高激光束的精度。
经过相干性的施展,激光光束的聚焦点不仅增大,而且可以大大提高切割功率,进一步提高切割速度及精度,大大减小热影响范围。
激光相干性在实际应用中可以发挥极大的优势,从而极大地改善激光束的质量。
它可以用来提高切割、定位和量测等操作的准确性,极大地改善激光设备的性能。
也可以用来提高激光设备的功率分布,并且可以最大限度地降低衰减因素的影响,从而提高激光设备的效果。
因此,激光相干性的研究将会有助于更大范围地发挥激光设备的优势,从而大大改善激光的应用效果。
光的相干原理
光的相干原理指的是在光波的传播中,两个或多个波的振幅和相位之间存在确定关系的现象。
相干性是指两个波或多个波在时间和空间上存在一定的关联性,其波峰和波谷能够相互增强或抵消。
在光的相干原理中,振幅相干和相位相干是两个重要的概念。
振幅相干是指两个波或多个波的振幅之间的关联性,而相位相干则指两个波或多个波的相位之间的关联性。
在光的干涉现象中,相干光可以产生明暗相间的干涉条纹,而不相干光则不能产生明显干涉效果。
这是因为,相干光的波峰和波谷在位置上会对应,能够相互增强或抵消;而不相干光则是无规律的,波峰和波谷的位置没有对应关系。
光的相干性对于干涉仪、激光、光纤通信等领域有着重要的影响。
在干涉仪中,只有相干光才能产生明显的干涉效果,从而实现测量和干涉等应用。
在激光中,由于光的相干性,激光光束可以保持高度的定向性和聚焦性。
在光纤通信中,相干光的传输可以减小信号的衰减和失真,提高传输质量和距离。
光的相干原理的研究对于理解光波的传播和性质具有重要意义,也为光学应用提供了理论依据。
通过探索光的相干性,人们可以更好地利用光波进行测量、通信和成像等应用,推动光学技术的发展。
激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性激光的高亮度:固体激光器的亮度更可高达1011W/cm2Sr。
不仅如此,具有高亮度的激光束经透镜聚焦后,能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温,这就使其可能可加工几乎所有的材料。
激光的高方向性:激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时,还能保证聚焦得到极高的功率密度,这两点都是激光加工的重要条件激光的高单色性:由于激光的单色性极高,从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度。
激光的高相干性:相干性主要描述光波各个部分的相位关系。
正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。
目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等)、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等激光加工的特点由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性,因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点● 由于它是无接触加工,对工件无直接冲击,因此无机械变形;● 激光加工过程中无"刀具"磨损,无"切削力"作用于工件;● 激光加工过程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,对非激光照射部位没有或影响极小。
因此,其热影响的区小工件热变形小后续加工最小;● 由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换,极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法;● 生产效率高,加工质量稳定可靠,经济效益和社会效益好激光加工的优势激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势:①由于它是无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目的。
②它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。