当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK14 > X射线、激光、分子光谱简介 > 光学谐振腔
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同学们好
现在我们回来继续学习
激光器的原理
那么上一节我们知道
激光器对于工作物质
有一个非常重要的要求
它要求至少有三能级
并且需要三能级是亚稳态等等等等
那么同时要构成一个激光器
它需要光学的谐振腔
那么要实现光放大
我们说光在这个物质里边走一次
它是放大的不够的
那我们希望
它在这物质里不断的来回走
那么怎么才能做到这一点呢
只要构造一个谐振腔
也就是在工作物质两头
加这么两个全反射镜
那么这个时候呢
光在里面不断的来回反射
就会不断的被放大
这是构造激光器
不可缺少的一个部分
那么这两个反射镜并不完全一样
一个反射镜是真正的全反射镜
它是不能透射光的
另外一个反射镜
它有少量部分的透射
这样将来激光才能从这边输出
谐振腔的作用是什么呢
第一 它确实有一个
光放大的作用
这是第一条
但是实际上还有另外呢
有一个很好的方向的选择性
原因是什么呀
我们回过头来看
这个光啊
在里边能够实现来回的
这样反射的过程
要求这个光
严格的沿着这个轴向
严格的垂直于这个反射镜才可以
稍微歪一点点
只要走几次之后
他就从这里边跑出来了
不能有效的实现光放大
所以激光输出来的光
一定是具有非常好的方向性的
几乎严格的沿着这个轴向
没有偏转
还有一条呢是什么
这个谐振腔的作用呢
具有很好的光的频率的选择性
也就是单色性
那么为什么激光的谐振腔
有选频的作用呢
这个要回到我们的驻波的原理
我们知道构成激光器的这个
谐振腔会形成纵模和横模
实际上就是驻波的不同的模式
那么我们先来看这个纵模
什么叫纵模呢
是指光沿着这个谐振腔的纵向
来回反射
形成的一种稳定的光的振动
那么它实际上是一个驻波
也就是所谓的纵模
纵模有什么用呢
对于氦氖激光器
比如说
它的这个红色的这个光
频率宽度大概是
1.3乘以10的9次方赫兹
这么一个宽度
那么对应的这个频率值是多少呢
我把这个波长换算成频率
是这么多
5乘以10的14次方赫兹
这两个的比值
也就是相对的频宽
是3乘10的-6
而激光器输出的光是多大呢
实际上不是这么大
而是多少呢
10的-15次方
远远的小于这个10的-6次方
为什么呢
这就是由于谐振腔的选频作用
我们来看一看怎么选频的
我们以前学过驻波
来看一下驻波
这是一个两端固定的弦
中间形成了驻波
那么它呢我们知道
这个驻波 波长不是随便取的
而是只能取一些离散的值
这是基频
这是2倍频 这是3倍频
它的波长满足这么一个关系
波长等于2倍的n乘以l除以k
这个k是1 2 3 4这样的整数
那么这里的n对于光来说
因为工作物质里边是气体
它要等于气体的折射率
换算成频率
等于光速除以波长
那么我们会看到这个频率
也不是随便取的
它等于这么一个基频的整数倍
k=1 2 3 4等等等等
那么因此我们来估算一下
两个模式之间的频率差有多大
激光器的长度
大概是一米的一个量级
那么折射率
对于气体而言基本上等于1
光速3乘10的8次方
代进去之后
你可以发现
这个频率间隔
是1.5乘以10的8次方赫兹
这么一个间隔
什么意思呢
我们知道氦氖激光器里这个红光
它的频率咱刚才说过了
1.3乘以10的9次方
这么一个频宽
但是并不是这个频宽里所有的频率
都能在这个谐振腔里形成驻波
因为形成驻波的只是其中的
具有确定的条件的那些驻波
那么多少个模是可以被激发呢
那我用这个频宽
除以刚才那个频率间隔
多少呢 大概等于8
也是在这个频宽里边
只有八个模式可以被激发
这样呢我们最后获得的激光的
这个频率的间隔
就要远远小于
原来发光的这个频率间隔
这就是为什么激光
有非常好的单色性
就是这个样子
那么为了实现
更短的这个频率间隔
那我们也可以通过
调整这个激光的
谐振腔的长度等等
一些办法来进一步的
来减小这个频率的间隔
那么横模呢
是由于激光管
它对整个激光光强有一个
约束作用
而形成的一个横向的驻波模式
那么常见的驻波模式
有中心对称和旋转对称两种
那么它的样子呢
我们可以看到分布是完全不一样的
但是对于通常的激光来说
我们只选择它的基模
基模这个样子是最好的
也是最方便使用的
而这些高阶的模式
输出的激光形状
除非有特殊要求 一般不用它们
好了 现在我们总结一下
激光器构成的必要因素
第一 合适的激活介质
也就是合适的工作物质
它需要特定的能级
需要亚稳态等等等等一些要求
才能实现粒子数布居反转
第二呢 要有能源
要使激光器激发
维持粒子反转的状态
也就是非热平衡状态
需要额外的能量来维持
那么可能需要额外的激光器
也可以有可能需要
额外的这样的碰撞的办法
比如说氦氖激光器
就是利用加了一个很高的电压
碰撞的办法里实现的激光
第三 需要这个谐振腔
它的作用是光放大
选频和方向性等等等等
最后呢 激光的特点是什么呢
第一 相干性非常好
因为它单色性好
我们知道相干长度等于
波长的平方除以△γ
也就是波长的宽度
那么
从激光刚才刚才我们分析里边知道
它的激光的△γ是很小的
因为△γ很小
所以它的相干性非常好
第二 方向性好
好到什么程度呢
发散角可以小到0.1分
这么一个角度
多小呢
把一束激光打到月球上边
我们知道地月之间的距离
大概就是38万公里
这个时候光斑的直径
只有2公里左右
这是非常非常小的一个光斑
第三 激光的亮度
或者是光强是非常大的
激光亮度可以亮到大呢
可以到10的16次方
是太阳亮度的10的10次方倍
所以同学们在用激光的时候
一定要注意保护好眼睛
激光打到眼睛上
对眼睛的伤害是非常大的
如果是脉冲激光
它的亮度更大
大到什么程度呢
10的14次方瓦
它的功率可以到多大呢
能够引起一个10的8次方的一个高温
这个功率甚至可以诱发核聚变
那么实现人工核聚变呢
就是通过这样的办法来实现的
激光的应用非常广泛
比如说
工业加工里边要用到激光
钻孔 焊接 切割 绘制电路板
这个是在集成电路里边经常用的
刻制光栅等等等等
都需要激光器
在测量领域里边也需要激光
比如利用激光的准直
利用激光来测距等等等等
那么测量地月之间的距离呢
就可以用通过激光的办法来测
在医疗领域
用激光所谓的光刀做手术
也可以实现血管的内窥镜等等等等
在军事里边
激光可以用来实现导弹制导
也可以设计激光炮
来打击高空的飞行物
在核技术领域里边它也很有用
它可以用来做同位素分离
我们知道制造核电站
或者是原子弹的这个燃料
需要铀235
而铀235在天然的含量里边
只占千分之七
质量多数是铀238
那利用激光的办法
实现铀235和铀238的分离
这个技术呢是现在为止
全世界最先进的同位素分离技术
另外激光可以诱发核聚变
也可以用来模拟核反应的过程
这个在核物理研究当中
也是非常重要的
最后呢激光可以用来作全息技术
光纤通讯等等等等
这一个是我们国家在上海
制造的神光系统
它是一个功率巨大的一个激光器
可以用来制造人工的核聚变
这个是神光1
一九八六年的时候建成的
它有两束激光
这个是神光2
2000年的时候建成的
有八束激光
好的 这节我们就讲到这儿
谢谢
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
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-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
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-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
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--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
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--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
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--电磁波
--坡印廷矢量
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-本周作业
--week8--本周作业
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--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
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--光的干涉
--双缝干涉
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--迈克耳逊干涉仪
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