下载文档原格式
第一章 光学谐振腔理论光学谐振腔是激光器不可缺少的组成部分。
它的作用是提供激光振荡所必需的负反馈，选择振荡模式，并且为激光输出腔外提供一定的耦合。
本章主要研究开放式光腔。
这类光学谐振腔通常由线度有限的两面光学反射镜相距一段距离共轴放置而形成。
与微波波段的封闭式谐振腔相比较，光学开腔敞开了侧面边界，以降低振荡的本征模式数目。
两面反射镜之间的轴向距离，称为腔长。
腔长远大于波长，也远大于反射镜的线度，一般为厘米或米的量级。
一面反射镜的反射率尽量接近１，以减小能量的损失，另一方面反射镜具有适当的透过率，以便能够输出一定的能量。
对于开腔式光腔的处理方法主要有两种，一种是建立在衍射理论基础上的，另一种是建立在几何理论基础上的。
为了对谐振腔理论有个较全面的理解，本章对那些不能用几何光学理论研究的谐振腔，则以方形对称共焦腔为例，采用衍射理论进行研究讨论，对于两面球面腔等，采用几何光学理论的处理方法，其中包括一些等效方法。
第一节 光学谐振腔概论如图1－1所示，考虑一个长、宽、高分别为l b a ,,矩形谐振腔中的本征模式，麦克斯韦方程的本征解的电场分量为：t i z t i y t i x p n m p n m p n m e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E e z lp y b n x a m E t z y x E ,,,,,,sin cos sin ),,,(sin sin cos ),,,(cos sin sin ),,,(000ωωωπππππππππ---⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛= （1.1－1） 其中波矢z z y y x x e k e k e k k ++=，lp k b n k a m k z y x /,/,/πππ===（ ,3,2,1,0,,=p n m ），谐振角频率： ()()()222,,////l p b n a m ck c p n m πππω++== （1.1－2）（1．1．1）式表明在x ，y ，z 三个方向上，每一个本征模式的空间分布都是稳定的驻波分布，任意（m ，n ，p ）表征一种空间驻波分布。
激光的线宽和调谐特性
在许多激光光谱实验中，对激光的线宽和调谐特性都有一定的要求，例如做超高分辨无多普勒增宽(Doppler-free)的光谱实验，激光线宽必须小于跃迁谱线饱和拉姆凹陷(Lamb dip)的宽度，同时要求有非常高的激光频率稳定度和功率稳定度，才有可能做出信噪比很高的测量结果。
实现激光单频的方案要根据激光介质跃迁谱线的分布和重叠情况来决定。
如果相邻跃迁谱线分离得很远，可以采用对特定波长反射的多层介质膜反射镜作为激光的谐振腔镜，选出所需要的激光振荡频率并加以输出，而对不需要的跃迁谱线，则由于透射损耗的增大而不能起振。
这种方法大多是在原子激光器中采用，例如，He一Ne激光器就是采用不同的介质膜输出镜来实现632.8nm或3.39 5m波长的激光输出。
如果激光介质跃迁谱线靠得很近，如C仪和Co 等气体分子激光，或者激光介质的跃迁谱线占有很宽的波长范围，如染料激光器和钦宝石激光器(Ti3+:sapphire laser，掺钦蓝宝石激光器)等.在这些激光器中，可以采用宽波段的反射愉出镜，加上腔内的选频元件，如棱镜、光栅或双折射滤光片等来选择激光输出频率，实现单频振荡。
这里所谓的“单频”
是指激光输出线宽相对较窄(或者说激光振荡在单根跃迁谱线上)，但还不一定是单模激光输出。
要实现激光的单模振荡，还要在腔内加上不同自由光谱区的标准具，使激光器工作在单纵模状态上。
更多信息详见：激光雕刻机精雕机木工雕刻机/
哈尔滨市道外区富兴工业车库门厂车库门。
2. 多普勒谱线展宽谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽;多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关,这一效应首先被里普奇Lippich 在1870年提出,瑞利经过多年研究得到定量公式;下面就导出多普勒谱线型函数;假设发出激光的原子静止时其发光频率为0υ,当原子以x v 的速度沿x 轴向“接受器”运动时,由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为：⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈-=c cx x υυυυυ1100 14 由于不同原子的x v 不同,所以“接受器”收到的是不同频率的光,使得激光谱线以0υ为中心被展宽;由麦克斯韦速度分量分布律可以得到,速度x 分量在x v —x x dv v +的分子数比率为：()x kT mv x x M dv e kT m dv v f x 22122-⎪⎭⎫ ⎝⎛=π 15 令()υg 代表其辐射频率落在υ附近单位频率间隔内的发光原子数比率,则有()()x x M dv v f d g =υυ()υg 与辐射强度()υI 成正比;将c v x 00υυυ-=和υυd c dv x 0=代入15式,可得 ()()()υπυυυυυυd e kT m cd g kT mc 2020222--= 式中()υg 就是多普勒展宽的线型函数;下面看一个例子;例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度;解： 静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率0ν决定于两个态的能级差：E h ∆=0ν,h 为普朗克常数;由于原子在运动,因而发射出来的光的频率不再是0ν而是一个分布,也就是谱线增宽了;一个以速度v 运动的原子,沿x 轴发射的光的频率ν与0ν及x v 的关系为)1(0cv x -=νν, x v c =-)(00ννν 式中c 为光速;横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略;由于在νννd +→之间的光强ννd I 与速度分量在x x x dv v v +→之间的原子数目X dN 成正比,即x v CdN dv I =由麦氏分布律x kT mv dv e kT m d x 2/2/12)2(-⋅=πN N 因而dv e I dv I kT mc v 2002)(20ννν--=上式表示原子发光的强度,由于多普勒效应引起的谱线强度按频率的分布,分布函数随频率变化的曲线如图1所示,图1 原子光谱中0υ谱线的多普勒加宽它是对0v 的一个对称分布曲线;物理上定义与谱线极大值I 0的一半相对应的两个频率2v 与1v 之差v ∆称为谱线的宽度这里也称为多普勒线宽;由21)(20002==--νννkT mc v e I I 解得 2/1202ln 21⎥⎦⎤⎢⎣⎡±=mc kT νν 所以2/12012)2ln 2(2kT mcνννν=-=∆ 由上式可知,多普勒宽度ν∆与原子的质量m 及原子所处系统的温度T 有关;若由实验测得了来自星体原子光谱的多普勒宽度ν∆及原子的质量m 就可知道星体的温度T ：k n mc 2022281)(νν⋅∆=T。
第一章 激光的基本原理及其特性激光技术是二十世纪六十年代初发展起来的一门新兴学科。
激光的问世引起了现代光学技术的巨大变革。
激光在现代工业、农业、医学、通讯、国防、科学研究等各方面的应用迅速扩展，之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。
激光与普通光源相比较有三个主要特点，即方向性好，相干性好和亮度高，其原因在于激光主要是光的受激辐射，而普通光源主要是光的自发辐射。
研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。
本章首先从光的辐射原理讲起，讨论与激光的发明和激光技术的发展有关的各方面物理基础和产生激光的条件。
光的辐射既是一种电磁波又是一种粒子流，激光是在人们认识到光有这两种相互对立而又相互联系的性质后才发明的。
因此本章从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁。
激光的产生又是光与物质的相互作用的结果，对光的平衡热辐射和光与物质的相互作用 (光的自发辐射、受激辐射、受激吸收) 的研究是发明激光的物理基础。
光谱线的宽度，线型函数是影响激光器性能的重要因素，提高激光的单色性是激光技术的发展的一个重要方向。
阐明上述这些基础后，本章最后一节讨论激光产生的条件。
1. 1 激光的特性光的一个基本性质就是具有波粒二象性。
人类对光的认识经历了牛顿的微粒说、惠更斯菲涅耳的波动说到爱因斯坦的光子说的发展，最后才认识到波动性和粒子性是光的客观属性，波动性和粒子性总是同时存在的。
一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。
另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。
在—定条件下，可能某一方面的属性比较明显，而当条件改变后，另一方面的属性变得更为明显。
例如，光在传播过程中所表现的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显，这时往往可以把光看作是由一列一列的光波组成的；而当光和实物互相作用时(例如光的吸收、发射、光电效应等)，其粒子性较为明显，这时往往又把光看作是由一个一个光子组成的光子流。
多普勒加宽公式一、引言多普勒加宽公式是多普勒效应在光谱学中的一个重要应用，它描述了由于分子或原子相对于观测者的运动速度而引起的光谱线加宽的现象。
多普勒加宽是由于光波在传播过程中受到分子或原子的散射作用，而散射作用的频移取决于光源与散射物质之间的相对运动。
因此，多普勒加宽公式的理解与运用对于光谱分析和物理现象的深入探讨具有重要意义。
二、多普勒加宽公式的原理多普勒加宽公式的理论基础是多普勒效应。
当光源相对于观测者运动时，观测者接收到的光的频率会发生变化。
当光源向观测者运动时，观测者接收到的光的频率会增大；而当光源远离观测者运动时，观测者接收到的光的频率会减小。
这种由于光源与观测者之间的相对运动而引起的光谱线位移的现象称为多普勒效应。
在多普勒加宽公式中，光谱线的宽度与散射物质的热运动速度有关。
由于分子或原子的无规则热运动，光波在传播过程中会不断地与散射物质发生相互作用，从而引起光谱线的加宽。
这种加宽现象称为多普勒加宽。
三、多普勒加宽公式的数学表达多普勒加宽公式的数学表达为：ΔvD = 1/λ，其中ΔvD是多普勒加宽引起的频移量，λ是光源的波长。
这个公式表明，多普勒加宽与光源波长的倒数成正比。
因此，对于较长的波长，多普勒加宽的影响更大。
这也是为什么在红外光谱和微波谱中，多普勒加宽是一个需要考虑的重要因素。
四、多普勒加宽的应用多普勒加宽在许多领域都有广泛的应用，尤其在气体检测、激光光谱学和遥感等领域中具有重要的作用。
在气体检测中，由于不同气体的多普勒加宽不同，通过对光谱线的宽度进行分析，可以实现对气体的定性和定量分析。
在激光光谱学中，由于激光具有较高的频率和波长，多普勒加宽对激光光谱的影响较大，通过对多普勒加宽的研究，可以提高光谱分析的精度和准确性。
此外，在遥感领域中，通过研究地球大气中气体分子的多普勒加宽，可以实现对地球大气的遥感监测。
五、结论多普勒加宽公式是多普勒效应在光谱学中的重要应用，它描述了由于分子或原子相对于观测者的运动速度而引起的光谱线加宽的现象。
