激光束腰光学经典理论|激光光学的几个重要原理

激光是光学研究中一个非常重要的方向。今天，我们为大家汇编了一些关于激光光学的重要原理。相信很多朋友会喜欢，可以收藏。

自发辐射系数

——受激辐射系数

刺激吸收

——受激吸收系数

受激辐射和自发辐射的矛盾

要克服以上矛盾，需要反转粒子数。

同心空腔

它由两个相同的凹面镜组成。镜子的曲率中心重合。穿过球体中心的光线被反射后，仍然从原来的路径返回，光线不会从腔体中逸出。

和

本文中，z是波阵面平坦时从平面的传播路径，l是光的波长，w是波阵面平坦时平面上1/e2发光轮廓的半径，w(z)是波传播距离z后1/e2轮廓的半径，R(z)是波传播距离z后波阵面的曲率半径，在z=0的条件下，R(z)是无穷大，在z的有限个极小值内传播，当z进一步增大时，趋近于无穷大。Z=0平面标记高斯腰的位置，或者表示波前平坦的地方，其中w0称为光束的腰半径。

高斯透射电子显微镜光束的发光分布定义如下

这里w=w(z)和I0是光束的总光强，在所有相交部分都是等价的。分布形式恒常性是预测z=0时高斯分布的特殊结果。如果在z=0时预测统一的发光分布，则z=∞的形式会类似于贝塞尔公式给出的艾里圆盘，z值中间的形式会变得非常复杂。这里假设Z比pw0 /l大得多，因此1/e2发光轮廓逐渐接近圆锥的角半径

该值是高斯瞬变电磁束的远场角半径。圆锥体的顶点在腰部的中心，如下图所示。

激光波长示意图

激光的高亮度和强相干性

激光的高亮度是区别于普通光源的一个重要特征，提高输出功率和效率也是发展激光的一个重要问题。利用调Q、锁模和脉宽压缩技术可以大大提高激光器的输出功率。当激光功率集中在一个或几个模式时，意味着光子的简并性提高，相干性更好。高功率激光的亮度甚至可以达到太阳表面亮度的数百万倍。

激光相干控制

我们谈到了激光的原理和激光的相干性。下面简单介绍一下调节和控制激光相干性的方法。控制激光相干性的方法有很多，可以分为两类:一类是通过在激光谐振腔中加入光学元件来控制激光相干性；其次，在激光谐振腔中放置光学元件来控制激光相干性。

速率漂移约为0.1兆赫，氦氖激光器的实际线宽可达1兆赫，固态激光器的线宽可达1埃左右。

组件部分

基于存取激光器的CO2激光器增益线宽和谱线宽度

增益线宽:CO2分子的频率范围主要取决于激光器的气体成分。对于接入激光器，它的范围从100兆赫到250兆赫。

激光谱线宽度:实际上，在激光输出频率范围内，由激光气体温度、光学谐振腔和激光工作模式等决定。对于Access激光稳定激光器，如Lasy-3S、Lasy-4S、马斯特-S和Lasy-20S，谱线宽度可在任何时候达到100千赫甚至更窄。

Access激光公司研制的稳定激光器，有许多光谱间隔约为0.02μm，每个光谱形状与上图红色曲线相似。

输出激光时，将选择其中一条谱线。激光辐射将具有谱线宽度δω，如曲线所示的半峰全宽之间的距离。当激光输出稳定后，会在一个谱线范围内保持几个小时。

稳定激光器的激发频率在增益线宽的精确位置每5-10分钟漂移几兆赫，但在任何时候都小于100千赫。

如果激光器不在CW模式下工作，可以显著加宽激光器的谱线宽度(蓝曲线)，但要通过改变PWM信号的占空比空来调制。

光谱加宽

自然加宽

当不受外界影响时，受激原子并不总是处于激发态，而是会自发跃迁到低能级，所以受激原子在激发态的寿命有限。这个因素导致原子跃迁谱线的自然展宽。

碰撞加宽

大量原子(分子)之间的随机“碰撞”是谱线增宽的另一个重要原因。粒子间碰撞(相互作用)导致的谱线增宽称为碰撞增宽。

在气体工质中，大量原子(分子)处于不规则热运动状态。当两个原子相遇且足够近(或原子撞壁)时，原子间的相互作用足以改变原子的原始运动状态，认为两个原子发生碰撞。

多普勒谱线增宽

由于光的多普勒效应，当光源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的光波频率不等于光源和接收器相对静止时的频率。

多普勒展宽作为一种光源，每个发光原子的运动速度和方向是不同的，导致发光波的频率变化不同，所以发光的谱线展宽。

激光线宽的测量

在激光光学术语中，线宽、带宽和光谱宽度都代表一个物理意义:激光输出单色光的程度。激光的辐射线宽及其展宽机理已有提及。具体可参考上一篇文章:激光辐射线宽。激光创造了前所未有的单色光源。对于某些应用，如精密光谱研究或原子同位素分离，普通激光的线宽还是太大。所以很多大线宽的激光器需要压缩到特定的波长。在谈线宽压缩之前，我们先来了解一下激光的线宽是如何测量的，用什么标准来说激光的线宽是太宽还是太窄？

由于激光线宽是一个极其重要的参数，需要一种定量的测量方法。事实上，有几种方法可以用数据来描述激光线宽，这些数据可以通过波长、频率、波数或相干长度等参数来测量。

首先，用波长测量线宽

用波长测量线宽的方法如下图所示:

在这个图中，激光输出的峰值为815nm，两端都有波长较长和较短的激光。但要注意的是，激光线宽的测量值是谱线峰值的中间部分，线宽的定义是FWHN，也是最常用的激光线宽测量方法。为什么要用半宽，我找不到更好的解释了。比较了解的朋友求教！

第二，用频率测量线宽

有时候激光的线宽也可以用频率来衡量，或者可以用下图来表示。虽然这个数字类似于上一篇文章中用波长测量的线宽，但横坐标是用频率表示的。这里需要注意的是，公制仍然是FWHM。

第三，用波数测量线宽

另一种测量线宽的方法来自早期的光谱学，并且经常使用。光学跃迁频率一般用波数来衡量。当光谱学研究者说发生了2万个波数的跃迁，就意味着2万个波长相当于1cm，也就是1cm波长的2万倍。经常写成20000 cm-1，意思是每厘米20000个波长读成20000个波数，因为光的频率是用波数来衡量的，线宽也可以用波数来衡量。

第四，用相干长度测量线宽

激光线宽的另一种度量是用相干长度来表示的。相干长度表示激光有足够的相关能力产生干涉条纹的距离。用相干长度表示的线宽与用频率或波长表示的线宽成反比。，等于用波数表示的线宽的倒数。

激光的纵模和横模

纵向模式

所谓纵模是指激光的频率特性，是指激光谐振腔中形成的稳定驻波形式的光波！同一个谐振腔中存在多种驻波形式，只要入射光和反射光的光程差是2pi的整数倍，就可以形成稳定的驻波(这里忽略振幅条件，我们假设激光器有源区的增益谱较宽)，驻波形式对应一个纵模！要理解纵模，可以简单理解为一个波长对应一个激光纵模。

纵向模式在谐振腔中表现为驻波。纵向模式对应于腔中沿纵向方向的稳定光场分布。能形成稳定光场分布的条件是腔长是半波长的整数倍，即:

L=qλ/2，q成为纵模序数，即沿纵向驻波的节点数。

激光频率漂移

当温度升高时，激光腔长度变长，频率降低。当温度为T1时，线性函数g(ν)的中心频率为ν q，当温度上升到T2时，腔长变长，频率νq降低，但仍在谱线宽度内。当温度上升到T3时，νq移出谱线宽度，而νq+1则落入谱线宽度。

格局竞争

通过饱和效应，一个模式逐渐压制其他模式，最后一个纵模保持振荡，成为模式竞争。

空之间的烧孔效应

驻波场导致空之间增益分布不均匀。空之间烧孔的原因是模式竞争产生的单纵模ν0以驻波的形式沿轴向分布，驻波的波腹表示最大强度，节点表示最小强度。在最大光强所在的空之间的位置有更多的光子参与受激辐射过程，因此反转粒子的浓度和增益系数降低。相反，节点处的反转粒子数浓度和增益系数是腔内的最大值。如果腔内除了纵模ν0之外还有一些其他频率的光波在反射镜之间来回传播形成驻波，ν0的节点与某一频率ν0’驻波的节点重合，则ν0’的光波可能获得较大增益而形成激光。这种振荡一般较弱，可能形成多次振荡。

横向模式

横模是指激光场(包括电场和磁场)在垂直于激光传播方向的截面上的分布，简单理解为场在这个平面上的样子！比如基模在截面上分布为一个光斑，高阶模在截面上有多个光斑！注意，当你在截面上看到一个光斑，也就是基模，不一定是单纵模！