浅谈光幕的作用
相信激光这个名词大家都不陌生。在日常生活中，我们经常会接触到激光，比如我们上课用的激光笔，电脑或者音响组合中用来读取光盘资料的光驱。在工业上，激光常用于切割或微加工。军事上，激光用于拦截导弹。科学家们还使用激光非常精确地测量了地球和月球之间的距离，涉及的误差只有几厘米。激光被广泛使用。它有什么特点，是怎么形成的？下面我们将解释激光的基本特性和原理。
激光的特性
高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。
(1)激光亮度高:固态激光亮度可高达1011W/cn2Sr。不仅如此，高亮度的激光束经过透镜聚焦后，可以在焦点附近产生上千度甚至上万度的高温，使得几乎所有材料的加工成为可能。
(2)激光的高方向性:激光的高方向性使其能够有效地传输较长的距离，同时能够保证聚焦的高功率密度，这两者都是激光加工的重要条件。
(3)激光的高单色性:由于激光的高单色性，可以使光束精确地聚焦在焦点上，获得高功率密度。
(4)激光的高相干性:相干性主要描述光波各部分的相位关系。
正是激光的奇异特性使其被广泛应用于生活、工业加工、军事、科研等领域。
激光产生原理
激光的发展有着悠久的历史。其原理早在1917年就被著名物理学家爱因斯坦发现，但直到1958年才首次成功制造出激光器。激光的英文名是Laser，是辐射受激发射产生光放大的缩写。激光的英文全称已经充分表达了制造激光的主要过程。但在解释这个过程之前，我们必须先了解物质的结构以及光的辐射和吸收原理。
物质由原子组成。图1是碳原子的示意图。原子的中心是原子核，它由质子和中子组成。质子带正电荷，而中子不带电荷。原子的外围覆盖着带负电荷的电子，这些电子围绕着原子核运动。有趣的是，原子中电子的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应不同的电子能量。为了简单起见，我们可以把这些能级想象成一些围绕原子核的轨道，如图1所示。离原子核越远，轨道能量越高。此外，不同轨道所能容纳的最大电子数也不同。比如最低的轨道(也是最近核的轨道)最多只能容纳两个电子，较高的轨道可以容纳八个电子。其实这个过于简化的模型并不完全正确[1]，但足以帮助我们解释激光的基本原理。
电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跳到另一个能级。例如，当一个电子吸收一个光子[2]时，它可能从一个较低的能级跳到一个较高的能级(图2A)。同样，一个高能级的电子会通过发射一个光子跳到一个低能级(图二B)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是等于这两个能级的能量差。因为光子能量决定了光的波长，所以吸收或释放的光有固定的颜色。
当一个原子中的所有电子都处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低，我们称这个原子处于基态。图1显示了碳原子处于基态时电子的排列。当一个或多个电子处于较高的能级时，我们说原子处于激发态。如前所述，电子可以通过吸收或释放在能级之间跳跃。过渡可以分为三种形式:
(1)自发吸收——电子通过吸收的光子从低能级跃迁到高能级(图2A)。
(2)自发发射——电子通过释放光子，自发地从高能级跳到低能级(图二b)。
(3)受激辐射——光子注入物质，诱导电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。入射光子和释放光子具有相同的波长和相位，这个波长对应于两个能级之间的能量差。一个光子诱导一个原子发射一个光子，最终变成两个完全相同的光子(图2 c)。
激光基本上是由第三跃迁机制产生的。
产生激光还有一个巧妙之处，就是实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光器为例(图3)。原子首先吸收能量并跃迁到激发态。原子处于激发态的时间很短。大约10-7秒后，会陷入一种叫做亚稳态的中间状态。原子长时间处于亚稳态，大约10-3秒以上。电子长时间处于亚稳态，导致亚稳态的原子比基态的多。这种现象被称为人口反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使得从亚稳态到基态通过受激辐射的原子比从基态到亚稳态通过自发吸收的原子多，从而保证介质中的光子可以增加到输出激光。
激光器的结构
激光器通常包括三个部分。
1，激光工作介质
激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中，粒子数可以反转，为获得激光创造必要的条件。显然，亚稳态能级的存在非常有利于实现粒子数的反向轮回。目前工作介质有近千种，能产生的激光波长包括来自真空紫外通道的远红外，非常广泛。
2.激励源
为了使工质中的粒子数反转，需要通过一定的方法来刺激原子系统，增加上能级的粒子数。一般可以用气体放电，用具有动能的电子激发电介质原子，称为电激发；也可用脉冲光源照射工作介质，称为光激发；还有热激励和化学激励。各种激发方法被形象地称为泵激或泵激。为了连续获得激光输出，需要连续“泵浦”以维持高能级比低能级更多的粒子。
3.共振腔
有了合适的工作物质和激发源，粒子数可以反转，但这种方式产生的受激辐射强度太弱，无法实际应用。于是人们想到了用光学谐振腔来放大。所谓光学谐振腔，其实就是在激光器两端面对面安装的两块高反射率的镜子。一片几乎全反射，另一片大部分反射，轻微透射，这样激光就可以通过这个镜子发射出来。反射回工作介质的光继续感应新的受激辐射，并且光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，引起连锁反应，像雪崩一样被放大，产生强烈的激光，从部分反射镜的一端输出。
我们以红宝石激光为例来解释一下激光的形成。工作物质是红宝石棒。红宝石是掺有少量三价铬离子的氧化铝晶体。实际上掺杂的是质量比为0.05%左右的氧化铬。因为铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石是粉红色的。1960年梅曼发明的激光产生的红宝石是一根直径0.8cm，长约8cm的圆棒。两个端面为一对平行平面镜，一端镀有全反射薄膜，另一端的透过率为10%，允许激光通过。
在红宝石激光器中，高压氙灯作为“泵”，氙灯发出的强光激发铬离子达到激发态E3，被泵浦到E3的电子通过非辐射迅速跃迁到E2 (~ 10-8s)。E2是亚稳态能级，从E2到E1自发辐射的几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子长时间停留。因此，粒子在E2上累积，并且E2和E1能级中的粒子数量颠倒。从E2到E1的受激发射波长为694.3nm的红色激光，脉冲激光由脉冲氙灯获得，每个光脉冲的持续时间小于1ms，每个光脉冲的能量在10J以上。也就是说每个脉冲激光的功率可以超过10kW的量级。注意到上述铬离子从激发到激光发射涉及三个能级，故称为三能级系统。在三能级系统中，下能级E1为基态，通常会积累大量的原子，需要有很强的激发才能实现粒子数的反转。
从上面的描述中，我们注意到一个激光器要工作必须具备三个基本条件，即激光物质、光学谐振腔和泵浦源，其基本结构如图4所示。
能量通过泵浦源输入到激光材料中，使粒子数反转，自发辐射产生的微弱光在激光材料中被放大。因为在激光材料的两端放置了反射镜，所以可以反馈一些合格的光参与激发，然后激发的光就会振荡。经过反复激发，右手镜投射出来的光是高亮度激光，单色性、方向性、相干性都很好。不同类型的激光器在发光材料、反射镜、泵浦源等方面的材料不同，下面提到的激光器就是根据这些不同进行分类的。
激光器的类型
激光器有不同的分类方式，一般根据工作介质的不同，现在可以分为固态激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。
1，固态激光器
总的来说，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率高等特点。这类激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺杂少量激活离子。除了上面介绍的红宝石和玻璃，还有常用的YAG晶体中掺入三价钕离子的激光器，发出1060nm的近红外激光。一般固体激光器的连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W..
2.气体激光器
气体激光器结构简单，成本低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；并且可以长时间连续工作。这也是目前品种最多、应用最广的一种激光器，约占市场的60%。其中，氦氖激光是最常用的一种。
3.半导体激光器
半导体激光器使用半导体材料作为工作介质。目前砷化镓激光器比较成熟，发射840nm激光。还有掺铝砷化镓、硫化铬、硫化锌等激光器。激发方法包括光泵浦和电激发。这种激光器具有体积小、重量轻、寿命长、结构简单牢固等优点，特别适用于飞机、车辆和宇宙飞船。70年代末，光纤通信和光盘技术的发展极大地推动了半导体激光器的发展。
4.液体激光器
常用的是染料激光器，使用有机染料作为工作介质。在大多数情况下，有机染料溶解在溶剂(乙醇、丙酮、水等)中。)，还有一部分是在蒸汽状态下工作的。通过使用不同的染料可以获得不同波长(在可见光范围内)的激光。染料激光器一般采用激光器作为泵浦源，如氩离子激光器。液体激光器的工作原理比较复杂。输出波长连续可调，覆盖范围广是它的优点，这使它得到了广泛的应用。
中国激光和激光技术简史
从爱因斯坦在1917年提出受激辐射概念到现在已经过去了40年，直到1958年，微波领域的两位美国科学家C.H.Townes和A.I.Schawlaw才打破沉默，发表了著名的论文《红外与光学激光器》。他们的论文在光学领域工作的历史科学家们立刻兴奋起来，提出了各种实验方案来实现粒子数的反演，从而开辟了一个全新的激光研究领域。
同年，苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表论文《关于实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议》，1959年9月，唐斯提出制造红宝石激光器的建议...1960年5月，美国加州休斯实验室的T.H.Maiman制造了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长60。麦曼以红宝石为发光材料，以高发光密度的脉冲氙灯为激发光源(如图)。其实他的研究早在1957就开始了，多年的努力终于激活了历史上第一束激光束。1964年，唐斯、巴索夫和普罗霍夫因对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。
中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光机所研制成功。这种激光器在结构上比麦曼设计的有了新的改进，尤其是当时中国的工业水平远低于美国，研制条件非常艰苦。这都是由研究人员自己设计和制造的。之后，中国的激光技术也发展迅速，在各个领域得到了广泛的应用。1987年6月，1012W的高功率脉冲激光系统，申光装置，在中科院上海光机所研制成功，多年来为我国激光聚变研究做出了很好的贡献。
问题:1。我们生活中的激光和普通光有什么区别？
2.请列出你生活中使用激光的地方。
第二章光学谐振腔
本章主要讲授光学谐振腔的组成和作用；光学谐振腔的模式；光学谐振腔的几何分析法和衍射理论分析法；平行平面腔模式的迭代求解:稳定球面镜的焦腔；一般稳定球腔和等效焦腔；不稳定谐振器。重点:学会写一些光学系统的传播矩阵；可以判断腔体是否稳定；掌握实现多纵模和单纵模振荡的方法；选择FP法、复合腔法等单模方法，并给出相应的模间距；了解开式凹模的建立过程。难点:孔径传输线的概念。
一、光学谐振腔的组成
最简单的光学谐振腔由两个在活性介质两端镀有高反射率的反射镜组成。常见的基本概念:
光轴:光学谐振腔中间垂直于镜面的轴。
孔径:光学谐振腔在限制光束的大小和形状方面起作用。在大多数情况下，孔径是活性物质的两个端面，但在一些激光器中，放置附加元件以将光束限制为理想形状。
二、光学谐振腔的种类
谐振腔、封闭腔、开放腔和气体波导腔的开放度
开放式光学谐振腔(开放腔)通常可分为稳定腔和非稳定腔。
镜面形、球面腔和非球面腔、端面反射腔和分布反馈腔
反射镜的数量，双镜腔和多镜腔，简单腔和复合腔。
三、光学谐振腔的作用
提供光学正反馈:当振荡光束在腔内行进一次时，既能降低腔内损耗和激光束通过反射镜输出所造成的光束能量，又能保证足够能量的光束被腔内活性介质的受激辐射反复放大，维持连续振荡。影响谐振腔光反馈的因素有两个:组成谐振腔的两个反射镜的反射率；镜子的几何形状以及它们之间的组合。
控制振荡光束:有效控制腔内实际振荡模式的数量，获得单色性好、方向性强的相干光，直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率和光束发散角，控制腔内光束的损耗，在一定增益下控制激光束的输出功率。
4.光学谐振腔的模式(波型)
1.纵模-纵向稳定场分布，激光器中出现的纵模由两个因素决定。工作原子自发辐射的荧光线宽越大，可能出现的纵模越多；激光腔越长，相邻纵模之间的频率间隔越小，相同的荧光线宽可以容纳的纵模越多。
2.横模-横X-Y平面中的稳定场分布。横模(自再现模):一种稳定的场分布，在腔镜上来回传播后可以“自再现”。
3.激光模式的测量方法。横模的测量方法:在光路中放置一个光屏；拍照；激光束的强度分布由针孔或刀口扫描法获得，激光横模的分布形状由纵模的测量方法确定:法布里-珀罗F-P扫描干涉仪，实验采用球面扫描干涉仪。
5.平行平面腔体的Fox-Li数值迭代方法
平行平面腔的优点是:光束方向性好，模体积大，容易获得单模振荡。缺点是:调节精度高，衍射损耗和几何损耗大，其稳定性介于稳定腔和非稳定腔之间，不适用于小增益器件，仍广泛应用于中功率以上的激光器。
谐振腔迭代求解的思路:1。假设某一反射镜上存在初始场分布，将其代入迭代公式，计算第一次穿越腔内后在第二个反射镜上产生的场；2.利用(1)得到的代换迭代公式，计算腔内第二次穿越在第一反射镜上产生的场；3.多次重复操作后，观察是否形成稳态场分布。
对称矩形(方镜)平行平面镜腔是指谐振腔的反射镜平行，垂直和光轴方向的尺寸有限。条形反射镜平行平面腔是指反射镜在一个方向上的维度是有限的，而在另一个方向上的维度是无限的。分析了对称矩形、条形镜面平行平面腔、圆形镜面平行平面腔和平行平面腔的迭代解法。
六、* *焦腔与平行平面腔的区别
1.镜面基模场的分布:平行平面腔的基模分布在整个镜面上，呈均匀对称分布，振幅在镜面中心最大，在镜面边缘逐渐减小；* * *焦腔基模在镜面上的分布基于厄米-高斯近似，与反射镜的横向几何尺寸无关，只与腔长有关；一般情况下，焦腔模式集中在反射镜中心附近；
2.具有平行相位分布的平面腔的反射镜不是等平面；* * *焦腔的镜面为等平面；
3.单向损耗平行平面腔的衍射损耗远高于* * *焦腔；
4.单向相移平行于谐振频率的平面腔中横模阶次M和N的变化引起的频率变化远小于纵模阶次Q的变化；在* * *焦腔中，M、N或Q的变化在谐振频率上具有相同的数量级。
七。圆镜对称焦腔镜模的振幅和相位分布
反射镜上基模的振幅分布为高斯型，在整个反射镜上，反射镜中心(r=0)没有节点线，振幅最大。基模在镜面上的光斑半径(基模振幅下降到中心值的1/e时距镜面中心的距离):对于高阶模，沿径向有节线，节线个数为p；沿半径方向有节圆，节圆个数为L；随着p和l的增大，模的光斑半径增大，且光斑半径随l的增大比随p的增大来得快；高阶模的光斑半径:1/e处振幅减小到最外侧最大值的点与镜面中心的距离；圆形* * *焦镜本身也是一个等相平面。
八、一般稳定的球面镜腔
一般球面镜腔:由两块曲率半径不同的球面镜以任意间隔组成的腔。
一般稳定球面镜腔的模式理论:可以从光学腔的衍射积分方程严格建立，基于* * *焦腔的模式理论，等价于* * *焦腔。
一般稳定球腔与* * *焦腔的等价性:根据* * *焦腔的模式理论，任何* *焦腔都等价于无限个稳定球腔；并且任何稳定的球面镜腔都唯一地等价于聚焦腔。一般稳定的球形腔和* *焦点腔之间的等价性意味着它们具有相同的行波场。
九、不稳定谐振器
不稳定腔的优点:1。可控模体积大，通过增大反射镜的尺寸来扩大模的横向尺寸；2.可控衍射耦合输出，输出耦合率与腔的几何参数G有关；3.易于识别和控制横向模式；4.容易获得单端输出和准直平行光束。不稳定谐振器的缺点:1。输出光束部分是环形的；2.光束强度分布不均匀，呈现某种衍射环。
十、模具选择技术
激光的优点是具有良好的单色性、方向性和相干性。理想的激光输出光束应该只有一种模式，但对于实际的激光器，如果不采用模式选择，其工作状态往往是多模的。高阶模横模激光束光强分布不均匀，光束发散角大。多纵模多横模激光器单色性和相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基本横模激光束。在精密干涉测量、光通信和大面积全息术的应用中，要求激光束是单横模和单纵模的。因此，设计和改进激光器谐振腔以获得单模输出是一个重要的课题。
横模的选择:在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶数的增加，衍射损耗会迅速增加。谐振腔中不同的横模有不同的衍射损耗，这是横模选择的物理基础。为了提高模式的分辨能力，应尽可能增加高阶模式和基模的衍射损耗比，也应尽可能增加衍射损耗在总损耗中的比例。衍射损耗和模式识别能力的大小与谐振腔的腔型和菲涅耳系数有关。
纵模的选择:在一般的谐振腔中，不同纵模的损耗相同，所以要用不同纵模的不同增益来进行模式识别和选择。同时也可以引入人为损耗差。将F-P标准具插入腔内:通过调节F-P标准具的参数，在增益线宽范围内只有一个透射峰，在透射峰的线宽范围内只有一个模式开始振动，从而可以实现单纵模工作。即模式选择条件为:1。选择合适的标准具光程，使标准具的自由光谱范围与激光器的增益线宽相当。在增益线宽内避免了两个或多个标准具的透射峰。2.选择合适的标准具界面反射率，使所选纵模的相邻纵模因透过率低、损耗大而被抑制。
光学谐振腔的类型和功能
作者:opticsky日期:2006年9月-16
字号:小、中、大
光学谐振腔由两个或多个光学反射镜组成，可以提供光学正反馈。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，放置在激光工作物质的两端。两个反射镜之间的距离就是腔长。其中一面镜子的反射率接近100%，称为全反射镜。另一面镜子的反射率略低，激光就是从这面镜子输出的，所以叫输出镜。它们有时分别被称为高反射镜和低反射镜。
根据两个反射镜的形状及其相对位置，光学谐振腔可分为平行平面腔、平凹腔、对称凹腔、凸腔等。如果凹面镜的焦点落在平面镜上，则称平凹腔为半焦腔。如果凹面镜的球心落在平面镜上，就会形成半个心腔。对称凹腔中两个反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜的焦点都位于腔的中点，则称之为对称聚焦腔。如果两个球面镜的球心在腔的中心，则称为* * *心腔。
如果光束在腔内传播任意长时间而不从腔内逃逸，则称之为稳定腔，否则称之为不稳定腔。上面列出的谐振腔都是稳定腔。由两个凸面镜组成的谐振腔是不稳定的。如果平凹腔中的腔长过长，以至于凹球面的球心落在腔内，那么腔内除沿光轴方向的光束外，其他方向的光束经过多次反射后必然会从腔内逸出，所以也是一个不稳定腔。在对称凹腔中，如果腔长过长，两个球面的中心会落在靠近腔中心的一侧，这也是一个不稳定腔。
如果稳定腔的光学谐振腔中任一傍轴光束与其光轴之间的距离在其来回反射过程中不无限增大，则该腔一定是稳定腔。若L代表腔长，R1和R2是两个球面镜的曲率半径，则稳定腔应满足以下条件:
由第一个不等式可知，只有当R1和R2都大于或小于腔长时，才能形成稳定的腔。从第二个不等式可知，R1和R2必须小于空腔长度，并且不能太小。