1
第七章激 光（ 2）
（编者：华基美）
2
§ 7.5 光学谐振腔 纵膜与横模
(optical harmonic oscillator)
(longitudinal mode and transverse mode)
激光器有两个反射镜，
它们构成一个光学谐振腔。
激励能源
全反射镜 部分反射镜
激光
§ 7.6 激光器的纵膜与横模
3
光学谐振腔的作用：
1.使激光具有极好的 方向性 （沿轴线）；
2.增强 光放大 作用（延长了工作物质）；
3.使激光具有极好的 单色性 （选频）。
阈值条件为
mGRRLG
21
1ln
2
1
对于可能有多种跃迁的情况，
可以利用阈值条件来选出一种跃迁。
选频之一：
4
我们可以控制 Ｒ 1,Ｒ 2的大小：
对 0.6328?m —— Ｒ 1,R2大
—— Gm 小 (易满足阈值条件，使形成激光 )；
对 1.15?m,3.39?m —— Ｒ 1,Ｒ 2小
—— Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。
例如，氦氖激光器 Ne 原子的
0.6328?m,1.15?m,3.39?m 受激辐射光中,只让波长 0.6328?m的光输出。
5
设氦氖激光器 Ne原子的
0,6328?m受激辐射光的谱线宽度为,
如图所示。
)( 0?I
)( 0?I
2 )( 0?I?
0
1.3?109 Hz
对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。
选频之二：
6
)( 0?I
)( 0?I
2 )( 0?I?
0
0
由于
c
c
c
2
2
为什么激光的谱线宽度会小到 10-8?？
0
2
8
9210
1071
103
1031106 3 2 8
A.
.
取绝对值
7
由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，
所以有 光程
2
kknL ( k=1,2,3,…,)
k— 真空中的波长
L
k=1
k=2
k=3
k
nL
k
2
n — 谐振腔内媒质的折射率
8
可以存在的纵模频率为
nL
ckc
k
k 2
相邻两个纵模频率的间隔为
nL
c
k 2
数量级估计,Ｌ ～ 1ｍ；
n～ 1.0；
c～３ × 108 m?s
Zk nL
c
88 105.1
112
103
2
9
而氦氖激光器 0.6328?m 谱线的宽度为
=1,3× 109 HZ
因此，在区间中，可以存在的纵模个数为
8
105.1
103.1
8
9
k
N
10
利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使
区间中只存在一个纵模频率。
比如缩短管长 Ｌ 到 10 cｍ，
即 Ｌ?L/10
则k?10k
在 区间中，可能存在的纵模个数为 Ｎ =1。
11
于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，
极大地提高了 0.6328?m 谱线的单色性。
激光除了有纵向驻波模式外，
还有横向驻波模式。
基模 高阶横模轴对称分布旋转对称分布
12
小结：产生激光的必要条件
1,激励能源（使原子激发）
2,粒子数反转（有合适的亚稳态能级）
3,光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）
基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。
13
说明 1,
激光符合形成一个耗散结构必须具有的五个条件,
1.开放系统
2.远离平衡态
3.涨落突变
4.正反馈
5.非线性抑制因素
14
说明 2.
布鲁斯特窗起什么作用？
在光垂直入射时，
约有 4%能量反射，
只有 96%透射，
假如不是斜的布鲁斯特窗，而是垂直的窗，在反射镜之间多次来回反射，
损失太大，（ 0.96） 10=0.665，（ 0.96） 50=0.130，
（ 0.96） 100= 0.019,根本形不成激光。
用布鲁斯特窗可以把接近 50%的光（道）保留下来。
而且出来的激光是偏振的（道） 。
15
§ 7.7 激光的特性及其应用
★ 方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。
★ 相干性极好的光束
--------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级。
一根极细的激光光纤能承载的信息量相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的 信息量。
通讯
16
粘视网膜 皮肤处理例 2,激光手术
17
诊断观察
（普通光纤）
18
19
照明束 (普通光纤 )
…… 照亮视场
纤维镜 （普通 光纤）
…… 成象
有源纤维 （ 强激光）
…… 使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道 有源纤维 套环纤维镜照明束
附属通道
（可注入气或液）
…… 排除残物以明视线
套环
…… （可充、放气）
阻止血流或使血流流通心脏手术 （不需开胸，不住院）
20
例 3．激光 ——
原子力显微镜 (AFM)
用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上扫描,来探测固体表面的情况。
试样通常是微电子器件。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。
21
探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。
为了跟踪尖端的振幅情况，将一束激光分成两束。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置这两束光重新会合后发生干涉。
其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。
22
可检测出尺度小至 5毫微米的表面起伏变化。
用于检查微电路成品，
检查制作微电路用的硅表面的质量。
根据干涉的情况 可知探针振幅的变化情况,
它反映了范得瓦尔斯吸引力的情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置
23
用 原子力显微镜 看到的形成 PbTeO表面层的原子，
从层底（黑）到层顶（白），约 2 nm。
24
第七章激光结束例 5．激光半导体 ( 在固体部分学 )
例 4．激光单原子探测（略）
随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。
第七章激 光（ 2）
（编者：华基美）
2
§ 7.5 光学谐振腔 纵膜与横模
(optical harmonic oscillator)
(longitudinal mode and transverse mode)
激光器有两个反射镜，
它们构成一个光学谐振腔。
激励能源
全反射镜 部分反射镜
激光
§ 7.6 激光器的纵膜与横模
3
光学谐振腔的作用：
1.使激光具有极好的 方向性 （沿轴线）；
2.增强 光放大 作用（延长了工作物质）；
3.使激光具有极好的 单色性 （选频）。
阈值条件为
mGRRLG
21
1ln
2
1
对于可能有多种跃迁的情况，
可以利用阈值条件来选出一种跃迁。
选频之一：
4
我们可以控制 Ｒ 1,Ｒ 2的大小：
对 0.6328?m —— Ｒ 1,R2大
—— Gm 小 (易满足阈值条件，使形成激光 )；
对 1.15?m,3.39?m —— Ｒ 1,Ｒ 2小
—— Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。
例如，氦氖激光器 Ne 原子的
0.6328?m,1.15?m,3.39?m 受激辐射光中,只让波长 0.6328?m的光输出。
5
设氦氖激光器 Ne原子的
0,6328?m受激辐射光的谱线宽度为,
如图所示。
)( 0?I
)( 0?I
2 )( 0?I?
0
1.3?109 Hz
对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。
选频之二：
6
)( 0?I
)( 0?I
2 )( 0?I?
0
0
由于
c
c
c
2
2
为什么激光的谱线宽度会小到 10-8?？
0
2
8
9210
1071
103
1031106 3 2 8
A.
.
取绝对值
7
由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，
所以有 光程
2
kknL ( k=1,2,3,…,)
k— 真空中的波长
L
k=1
k=2
k=3
k
nL
k
2
n — 谐振腔内媒质的折射率
8
可以存在的纵模频率为
nL
ckc
k
k 2
相邻两个纵模频率的间隔为
nL
c
k 2
数量级估计,Ｌ ～ 1ｍ；
n～ 1.0；
c～３ × 108 m?s
Zk nL
c
88 105.1
112
103
2
9
而氦氖激光器 0.6328?m 谱线的宽度为
=1,3× 109 HZ
因此，在区间中，可以存在的纵模个数为
8
105.1
103.1
8
9
k
N
10
利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使
区间中只存在一个纵模频率。
比如缩短管长 Ｌ 到 10 cｍ，
即 Ｌ?L/10
则k?10k
在 区间中，可能存在的纵模个数为 Ｎ =1。
11
于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，
极大地提高了 0.6328?m 谱线的单色性。
激光除了有纵向驻波模式外，
还有横向驻波模式。
基模 高阶横模轴对称分布旋转对称分布
12
小结：产生激光的必要条件
1,激励能源（使原子激发）
2,粒子数反转（有合适的亚稳态能级）
3,光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）
基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。
13
说明 1,
激光符合形成一个耗散结构必须具有的五个条件,
1.开放系统
2.远离平衡态
3.涨落突变
4.正反馈
5.非线性抑制因素
14
说明 2.
布鲁斯特窗起什么作用？
在光垂直入射时，
约有 4%能量反射，
只有 96%透射，
假如不是斜的布鲁斯特窗，而是垂直的窗，在反射镜之间多次来回反射，
损失太大，（ 0.96） 10=0.665，（ 0.96） 50=0.130，
（ 0.96） 100= 0.019,根本形不成激光。
用布鲁斯特窗可以把接近 50%的光（道）保留下来。
而且出来的激光是偏振的（道） 。
15
§ 7.7 激光的特性及其应用
★ 方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。
★ 相干性极好的光束
--------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级。
一根极细的激光光纤能承载的信息量相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的 信息量。
通讯
16
粘视网膜 皮肤处理例 2,激光手术
17
诊断观察
（普通光纤）
18
19
照明束 (普通光纤 )
…… 照亮视场
纤维镜 （普通 光纤）
…… 成象
有源纤维 （ 强激光）
…… 使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道 有源纤维 套环纤维镜照明束
附属通道
（可注入气或液）
…… 排除残物以明视线
套环
…… （可充、放气）
阻止血流或使血流流通心脏手术 （不需开胸，不住院）
20
例 3．激光 ——
原子力显微镜 (AFM)
用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上扫描,来探测固体表面的情况。
试样通常是微电子器件。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。
21
探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。
为了跟踪尖端的振幅情况，将一束激光分成两束。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置这两束光重新会合后发生干涉。
其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。
22
可检测出尺度小至 5毫微米的表面起伏变化。
用于检查微电路成品，
检查制作微电路用的硅表面的质量。
根据干涉的情况 可知探针振幅的变化情况,
它反映了范得瓦尔斯吸引力的情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置
23
用 原子力显微镜 看到的形成 PbTeO表面层的原子，
从层底（黑）到层顶（白），约 2 nm。
24
第七章激光结束例 5．激光半导体 ( 在固体部分学 )
例 4．激光单原子探测（略）
随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。
