陈鹤鸣激光原理共103页文档

激光原理及应用陈鹤鸣激光原理及应用。

激光，全称为“光电子激发放射”，是一种具有高度相干性和定向性的光，具有独特的物理特性和广泛的应用价值。

激光的产生原理是基于受激辐射过程，通过受激辐射产生的光子在光学谐振腔中来回反射，从而形成一束高度相干的激光。

激光具有单色性、方向性、相干性和高能量密度等特点，因此在各个领域都有着重要的应用价值。

在科学研究领域，激光被广泛应用于光谱分析、光学显微镜、激光干涉仪等领域。

通过激光的单色性和高能量密度，科学家们可以对物质的结构和性质进行精确的研究和分析。

激光显微镜可以实现对微小结构的高分辨率成像，为科学研究提供了重要的工具。

在工业生产中，激光被广泛应用于激光切割、激光焊接、激光打标等领域。

激光切割技术可以实现对各种材料的精确切割，具有高效、精准、无污染等优点，被广泛应用于金属加工、电子器件制造等领域。

激光焊接技术可以实现对材料的精确焊接，具有热影响小、焊缝美观等优点，被广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。

激光打标技术可以实现对材料的精确标记，具有速度快、效果好等优点，被广泛应用于食品包装、医疗器械等领域。

在医疗领域，激光被广泛应用于激光治疗、激光手术等领域。

激光治疗技术可以实现对疾病的精确治疗，具有创伤小、疗效好等优点，被广泛应用于皮肤病、眼科疾病等领域。

激光手术技术可以实现对组织的精确切割，具有出血少、愈合快等优点，被广泛应用于眼科手术、整形美容等领域。

总的来说，激光作为一种具有独特物理特性和广泛应用价值的光源，已经成为现代科技发展和生产制造的重要工具。

随着科技的不断进步和创新，相信激光在更多领域将会有更广泛的应用，为人类社会的发展进步做出更大的贡献。

1.3 什么是时间相干性和空间相干性？怎样定义相干时间和相干长度?时间相干性：光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性，描述的是光束传播方向上的各点的相位关系，与光束单色性密切相关。

空间相干性：光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性，描述的是垂直于光束传播方向的平面上各点之间的相位关系，与光束方向性密切相关。

相干时间t c，即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间间隔。

相干长度L c指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔。

二者实质上是相同的。

L c=t c∙c=C∆ν1.4 为使He-Ne激光器的相干长度达到1Km，它的单色性∆λ/λ0应是多少？L c=C∆ν⁄=1Km ∆ν=3×105Hz∆λλ0=∆νν0=∆νc∙λ0=6.328×10−112.3 如果激光器和微波激射器分别在λ=10μm、λ=500nm和ν=3000MHz输出1W连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？W=Pt=nhν当λ=10μm时， ν=cλ=3×1013Hz n=5.03×1019当λ=500nm时，ν=cλ=6×1014Hz n=2.51×1018当ν=3000MHz时，n=5.03×10232.4 设一对激光能级为E2和E1(f2=f1),相应频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：（1）当ν=3000MHz，T=300K时n2n1⁄=？（2）当λ=1μm，T=300K时n2n1⁄=？（3）当λ=1μm，n2n1⁄=0.1时，温度T=？（1）E2−E1=hν=1.99×10−24 J k b=1.38×10−23J K⁄n2 n1=f2f1e−(E2−E1)k b T=0.9995（2）同理得n2n1⁄=1.4×10−21（3）同理得T =6.26×103K2.10 激光在0.2m 长的增益介质中往复运动的过程中，其强度增加了30%。

第二章5）激发态的原子从能级E2跃迁到E1时，释放出m μλ8.0=的光子，试求这两个能级间的能量差。

若能级E1和E2上的原子数分别为N1和N2，试计算室温（T=300K ）时的N2/N1值。

【参考例2-1，例2-2】 解：（1）J hcE E E 206834121098.310510310626.6---⨯=⨯⨯⨯⨯==-=∆λ （2）52320121075.63001038.11098.3exp ---∆-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯-==T k Eb e N N10）激光在0.2m 长的增益物质中往复运动过程中，其强度增加饿了30%。

试求该物质的小信号增益系数0G .假设激光在往复运动中没有损耗。

104.0*)(0)(0m 656.03.1,3.13.014.02*2.0z 0000---=∴===+=====G e e I I me I I G z G ZzG Z ααα即且解：第三章2．CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985，r 2=0.8。

求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、∆νc (设n=1) 解：衍射损耗:1880107501106102262.).(.a L =⨯⨯⨯=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-⨯=⨯⨯=δ=τ输出损耗:1190809850502121.)..ln(.r r ln =⨯⨯-=-=δ s ..c L c 881078210311901-⨯=⨯⨯=δ=τ4.分别按图(a)、(b)中的往返顺序，推导旁轴光线往返一周的光学变换矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D C B A ，并证明这两种情况下的)(21D A +相等。

（a ）（b ）解： 1234T T T T T =(a) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=D C B A LR L R T 1011201101120121221R L A -= 124421212+--=R L R L R R L D244421212+--=+R LR L R R L D A(b) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=D C B A LR L R T 1011201101120112121R L A -= 124412212+--=R L R L R R L D244421212+--=+R LR L R R L D A8．腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率0ν＝5.85⨯l014Hz ，荧光线宽ν∆＝6⨯l08 Hz ，问可能存在几个纵模？相应的q 值为多少？ (设η=1)解：纵模间隔为:Hz L cq 881035.0121032⨯=⨯⨯⨯==∆ην， 210310688=⨯⨯=∆∆=q n νν，则可能存在的纵模数有3个，它们对应的q 值分别为： 68141095.11031085.522⨯=⨯⨯=⨯=⇒=νμμνc L q L qc ，q ＋1=1950001，q －1＝194999918．欲设计一对称光学谐振腔，波长λ＝10.6μm ，两反射镜间距L ＝2m ，如选择凹面镜曲率半径R =L ，试求镜面上光斑尺寸。

激光原理及应用陈鹤鸣答案1、4．列车员说火车8点42分到站，8点42分指的是时间间隔．[判断题] *对错(正确答案)2、59．1911年，卢瑟福在α粒子散射实验的基础上，提出了原子核式结构模型。

下列关于这个模型的说法中正确的是（）[单选题] *A．原子核位于原子的中心(正确答案)B．电子静止在原子核周围C．原子核带负电D．原子核占据了原子内大部分空3、2．运动员将足球踢出，球在空中飞行是因为球受到一个向前的推力．[判断题] *对错(正确答案)4、53．下列实例中不能用光的直线传播解释的是（）[单选题] *A．水中倒影(正确答案)B．手影的形成C．日食和月食D．小孔成像5、其原因错误的是（）*A.使用的用电器总功率过大B.电路中有断路(正确答案)C.开关接触不良(正确答案)D.电路的总电阻过大(正确答案)6、关于家庭电路和安全用电，下列说法正确的是（）[单选题]A．我国家庭电路电压为380VB．发生短路会导致家庭电路中总电流过大(正确答案)C．用湿布擦正在发光的台灯D．在未断开电源开关的情况下更换灯泡7、验电器是实验室里常常用验电器来检验物体是否带电。

用带正电的玻璃棒接触验电器的金属球，可以发现验电器原来闭合的两片金属箔张开一定的角度，如图61所示。

以下判断中正确的是（）[单选题]A．金属球带正电，金箔片都带负电，它们因排斥而张开B．金属球带正电，金箔片都带正电，它们因排斥而张开(正确答案)C．金属球带负电，金箔片都带正电，它们因吸引而张开D．金属球带负电，金箔片都带负电，它们因吸引而张开8、54．如图所示，2019年4月10日人类首张黑洞照片的问世，除了帮助我们直接确认了黑洞的存在外，还证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。

下列关于宇宙的描述中，不正确的是（）[单选题] *A．地球是太阳系内的一颗行星B．太阳和太阳系最终会走向“死亡”C．宇宙处于普遍的膨胀之中D．太阳是宇宙的中心(正确答案)9、考虑空气阻力，在空气中竖直向上抛出的小球，上升时受到的合力大于下降时受到的合力[判断题] *对(正确答案)错答案解析：上升时合力等于重力加上空气阻力，下降时合力等于重力减去空气阻力10、在图65的四种情境中，人对物体做功的是（）[单选题]A.提着桶在水平地面上匀速前进B.举着杠铃保持杠铃静止C.用力搬石头但没有搬动D.推着小车前进(正确答案)11、23．三个质量相等的实心球，分别由铝、铁、铜制成，分别放在三个大小相同的空水杯中，再向三个空水杯中倒满水（物体都能浸没，水没有溢出，ρ铝＜ρ铁＜ρ铜），则倒入水的质量最多的是（）[单选题] *A．铝球B．铁球C．铜球(正确答案)D．无法判断12、司机驾车时必须系安全带，这是为了防止向前加速时惯性带来的危害[判断题] *对错(正确答案)答案解析：防止刹车时惯性带来的危害13、关于物质的密度,下列说法正确的是（）[单选题] *A. 一罐氧气用掉部分后,罐内氧气的质量变小,密度不变B. 一只气球受热膨胀后,球内气体的质量不变,密度变大C. 一支粉笔用掉部分后,它的体积变小,密度变小D. 一块冰熔化成水后,它的体积变小,密度变大(正确答案)14、能量在转化过程中是守恒的，所以能源是“取之不尽，用之不竭”的[判断题] *对错(正确答案)答案解析：能量在转化和转移的过程中是有方向的，所以需要节能15、如图59所示，“蛟龙号”载人深潜器是我国首台自主设计、研制的作业型深海载人潜水器，设计最大下潜深度为级，是目前世界上下潜最深的作业型载人潜水器。

激光原理及技术部分习题解答（陈鹤鸣）第一章4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ∆应当是多少？解：相干长度C cL υ=∆，υ∆是光源频带宽度853*10/3*101C c m s Hz L kmυ∆===225108(/)632.8*3*10 6.328*103*10/c cc c nm Hz c m sλλυυυυλλλυλ-=⇒∆=∆=∆∆⇒=∆== 第二章4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？解：Tk E E b e n 1212n --=其中12**E E ch E c h -=∆=λνλh ch ==∆*E（1）（2）010*425.12148300*10*38.11010*3*10*63.612236834≈====-------e ee n n Tk chb λ（3）K n n k c h b 36238341210*26.6)1.0(ln *10*10*8.3110*3*10*63.6ln *T =-=-=---λ9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数101.0-=mm α (2)010010100003660I .e I e I e I I .z ====-⨯-α即经过厚度为0.1m 时光能通过36.6%10.解：m/..ln .G e .e I I G.Gz6550314013122020===⇒=⨯第三章2. CO2激光器的腔长L=100cm, 反射镜直径D=1.5cm, 两镜的光强反射系数120.985,0.8r r = = 求由衍射损耗及输出损耗引起的,,R Q τδ 解：（1）输出损耗由腔镜反射不完全引起。

激光原理⼀、绪论激光技术与应⽤物理与光电⼯程学院顾芳gfnuist@/doc/f017541417.html135********绪论Nanjing University of Information Science & Technology 物理学专业⽅向选修课⼀.课程设置和教学要求⼆.激光的基础知识1、《激光技术与应⽤》课程简介总学时：32学时学分：2教材：激光原理及应⽤2、参考教材周炳琨等，《激光原理》第四版，国防⼯业出版社，2000出版?陈鹤鸣等《激光原理及应⽤》，电⼦⼯业出版社，2009年3、课堂纪律规范有序的教学纪律是教学成功的关键因素之⼀，因此为进⼀步规范课堂纪律，保证⽼师和学⽣在良好的环境中进⾏教与学，提出以下要求：1、学⽣进⼊教室后请⾃觉关闭⼿机，或将⼿机置于静⾳状态，不允许在课堂接听⼿机。

2、上课期间不得随意⾛动、出⼊教室。

3、有事不能上课者，须持学办批复的假条请假，累计请假学时超过课程总学时1/3者，不允许参加考试。

4、考核⽅式考勤：教务处要求任课教师要每堂课前点到。

⽆故三次以上不来上课，不允许参加考试。

作业：将适当留⼀些作业（布置⼀篇课程论⽂）。

考试⽅法：闭卷考试。

课程成绩：考勤+作业占课程成绩的30％期末考试占70％。

《激光技术与应⽤》研究的对象和⽅法⼀、《激光技术与应⽤》研究的对象光频电磁场(光辐射场)与物质的相互作⽤。

⾃由电⼦粒⼦中的电⼦物质⼆、《激光技术与应⽤》的研究⽅法对光频电磁场与物质相互作⽤的理论处理⽅法1、经典⽅法2、半经典理论3、全量⼦理论4、速率⽅程理论1、经典⽅法对粒⼦系统和电磁场均作经典处理对电磁场：⽤经典电动⼒学的Maxwell⽅程组描述对粒⼦系统：⽤经典⼒学的电偶极振⼦描述特点: 较粗糙, 但在⼀定范围内很实⽤适⽤范围:a. 解释物质对光的吸收、⾊散, 定性说明粒⼦⾃发发射及其谱线宽度b. 光学谐振腔及激光传输理论c. ⼤致描述⾮线性光学效应d. 描述⾃由电⼦激光器机理2、半经典理论（量⼦⼒学范畴）对电磁场：⽤经典电动⼒学的Maxwell⽅程组描述对粒⼦系统：作量⼦⼒学处理优点: 能推导出激光物理学的⼤部分规律(如强度特性----反转粒⼦数、烧孔效应、振荡光强的兰姆凹陷,增益饱和、多模竞争、模相位锁定、频率牵引等)缺点:A、因忽略了电磁场的量⼦化特性, 故有些结果与实验不符，有些现象⽆法解释（如⾃发发射及其线宽极限、量⼦起伏等）。

激光原理教案第1章《激光原理技术及应用》讲义（第一章）王菲长春理工大学光电工程学院2006年12月参考教材：[1]陈钰清，王静环，激光原理，杭州：浙江大学出版社，1992[2]周炳琨，高以智，陈倜荣等，激光原理（第5版），北京：国防工业出版社，2004[3]沈柯，激光原理教程，北京：北京工业学院出版社，1986[4]吕百达，激光光学，成都：四川大学出版社，1992[5]马养武，陈钰清，激光器件，杭州：浙江大学出版社，1994[6]W.克西奈尔著，孙文等译，固体激光工程，北京：科学出版社，2002[7]兰信钜，激光技术，北京：科学出版社，2000[8]朱林泉，朱苏磊，激光应用技术基础，北京：国防工业出版社，2004[9]李湘银，姚敏玉，李卓等，激光原理技术及应用，哈尔滨：哈工大出版社，2004教学计划(64学时) 引言（1学时）1. 发展史，2.特性；3.产生条件；4.分类第一章激光的物理基础（7学时）1. 光波的模式和光子的量子状态2. 相干体积、光子简并度与黑体辐射3. 自发辐射、受激辐射和受激吸收4. 光谱线宽度及谱线加宽理论第二章激光器的基本工作原理（8学时）1. 粒子数反转分布2. 光场与物质互作用的速率方程理论3. 增益系数及增益饱和4. 连续激光器振荡特性5. 激光的尖峰与弛豫振荡6．脉冲激光器工作特性第三章光学谐振腔（8学时）1. 光学谐振腔的构成和作用2. 光学谐振腔的模式及选模技术3. 光学谐振腔的损耗与表征4. 光学谐振腔的几何光学分析5. 光学谐振腔的衍射理论分析6．光学谐振腔的等价腔分析法7．典型光学谐振腔第四章高斯光束的传输变换与控制（8学时）1. 高斯光束的基本性质2. 高斯光束的传输定律3. 高斯光束在光学系统中的变换4. 光束质量评价方法与测量5. 激光光学系统设计第五章典型激光器（8学时）1. 气体激光器2. 液体激光器3. 半导体激光器4．固体激光器第六章激光技术（10学时）1. 调Q技术2. 锁模技术3. 稳频技术4. 非线性光学频率变换技术5．激光放大技术第七章实验（16学时）1.He-Ne激光器频率分裂、偏振及模式竞争实验（2学时）2.He-Ne激光器的模式分析实验（2学时）3.激光谱线宽度测量实验（扫描共焦球面干涉仪法）（2学时）4.激光特性参数测量实验（波长计/光栅光谱仪）（2学时）5.固体激光介质的荧光寿命测量实验（2学时）6.半导体激光器及其参数测量实验（2学时）7.Nd:YAG激光器实验（2学时）8.CO2激光器实验（2学时）9.光纤激光器实验（2学时）10.声光调Q技术实验（2学时）11.电光调Q技术实验（2学时）12.激光倍频技术实验（2学时）13.锁模激光技术（2学时）14.激光测距实验（2学时）15.激光通信技术实验（2学时）16.激光束传输变换实验（2学时）17.稳频激光技术实验（2学时）引言（学时）一、激光的由来Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）即受激辐射放大，1964年钱学森建议命名为“激光”。

习题与思考题二解答1. 爱因斯坦提出的光与物质相互作用的三个过程是什么？激光运转属于哪个过程？该过程是如何实现的？2. 证明：当每个模式内的平均光子数（光子简并度） 大于1时，以受激辐射为主。

证明如下：按照普朗克黑体辐射公式，在热平衡条件下，能量平均分配到每一个可以存在的模上，即γλγh n Tk h h E b ⋅=-=1exp（n 为频率为γ的模式内的平均光子数）由上式可以得到：1exp 1-⋅==Tk h h E n b γγ又根据黑体辐射公式：n c h T k h T k h c h b b ==-⇒-⨯=333381exp 11exp 18γπργγγπργγ根据爱因斯坦辐射系数之间的关系式2121338B A c h =γπ 和受激辐射跃迁几率公式γρ2121B W =，则可以推导出以下公式：212121212121338A W A B B A c h n ====γγγρργπρ如果模内的平均光子数（n ）大于1，即12121>=A W n ，则受激辐射跃迁几率大于自发辐射跃迁几率，即辐射光中受激辐射占优势。

证明完毕3. 如果激光器和微波激射器分别在λ=10μm ，λ=500nm ，和ν=3000MHz 输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt 时间内输出的能量为dE ，则 功率=dE/dt激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d νnh E =，其中n 为dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt 时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。

由以上分析可以得到如下的形式：ννh dth dE n ⨯==功率每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：()()()13410626.61--⨯⋅⨯====ss J h dt n N s J νν功率每秒钟发射的光子数根据题中给出的数据可知：zH m ms c13618111031010103⨯=⨯⨯==--λνzH m ms c1591822105.110500103⨯=⨯⨯==--λνz H 63103000⨯=ν把三个数据带入，得到如下结果：19110031.5⨯=N ，182105.2⨯=N ，23310031.5⨯=N4. 设一对激光能级为E2和E1（f2=f1）,相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：（1） 当ν=3000MHz,T=300K 时，n2/n1=? （2） 当λ=1μm ，T=300K 时，n2/n1=? （3） 当λ=1μm ，n2/n1=0.1时，温度T=?解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：T K E E T k h f f n n b b )(exp exp 121212--=-=ν （统计权重21f f =）其中1231038062.1--⨯=JK k b 为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。