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光学谐振腔在线视频

光学谐振腔

下一节:固体

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光学谐振腔课程教案、知识点、字幕

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

大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)课程列表:

WEEK1

-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

--点电荷电场及叠加原理

--点电荷电场及叠加原理(续1)

--点电荷电场及叠加原理(续2)

--点电荷电场及叠加原理(续3)

-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

--高斯定律的应用(续)

-WEEK1--高斯定律

-WEEK1--本周作业

-week1课件

WEEK2

-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

--电势和叠加原理(续)

--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

--电荷系静电能(续1)

--电荷系静电能(续2)

-WEEK2--静电能

-导体静电平衡

--物质中电场

--导体静电平衡

--导体静电平衡条件(续1)

--导体静电平衡条件(续2)

-WEEK2--导体静电平衡

-WEEK2--本周作业

-week2课件

WEEK3

-导体周围电场

--有导体时静电场的计算

--有导体时静电场的计算(续)

-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

--电容及电容器(续)

-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

-week3课件

WEEK4

-极化规律、电位移矢量

--电介质的极化规律

--电介质的极化规律(续)

--电位移矢量及其应用

--电位移矢量及其应用(续)

-WEEK4--极化规律、电位移矢量

-有介质时静电场能量

--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

--稳恒电流和稳恒电场

-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

--电容器的充放电(暂态过程)*

-WEEK4--电流微观图像和暂态过程

-本周作业

--week4--本周作业

-week4课件

WEEK5

-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

--毕-萨-拉定律(续)

--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

--安培环路定理及其应用

--安培环路定理及其应用(续1)

--安培环路定理及其应用(续2)

-WEEK5--静磁场环路定理

-安培力和霍尔效应

--带电粒子在磁场中的运动

--霍尔效应

--安培力

-WEEK5--安培力和霍尔效应

-WEEK5--本周作业

-week5课件

WEEK6

-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩

-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

--有磁介质时磁化的规律

-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

-WEEK6--本周作业

-week6课件

WEEK7

-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

--法拉第电磁感应定律

--电磁感应定律和磁通连续定理的普适性

-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

--感生电动势和感生电场

--涡电流

-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

-自感和互感

--自感

--互感

-WEEK7--自感和互感

-WEEK7--本周作业

-week7课件

WEEK8

-暂态过程和磁场能量

--RL电路的暂态过程

--磁场的能量

-磁场和电场的相对性

--电场和磁场的相对性

-位移电流和麦克斯韦方程组

--麦克斯韦方程组和电磁波

--麦克斯韦方程组

-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组

-电磁波、坡因廷矢量和光压

--电磁波

--坡印廷矢量

--电磁波的动量

--光压——辐射压强

-本周作业

--week8--本周作业

-week8课件

WEEK9

-波动光学—引言

--波动光学——引言

-WEEK9--波动光学—引言

-杨氏双缝干涉、相干光

--光的干涉

--双缝干涉

-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光

-光源及发光性质

--光源的发光特性

--时间相干性

--空间相干性

-WEEK9--光源及发光性质

-光程、等倾和等厚干涉

--光程

--薄膜干涉(一)

--薄膜干涉(二)

-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉

-迈克耳逊干涉仪

--迈克耳逊干涉仪

-WEEK9--本周作业

-week9课件

WEEK10

-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

--惠更斯原理

--单缝夫琅禾费衍射

--单缝夫琅禾费衍射(续)

-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

-光栅衍射

--光栅衍射

--光栅衍射(续)

-WEEK10--光栅衍射

-光学仪器分辨本领

--光学仪器的分辨本领

--光学仪器的分辨本领(续)

-WEEK10--光学仪器分辨本领

-X射线晶体衍射

--X射线的衍射

-WEEK10--X射线晶体衍射

-WEEK10--本周作业

-week10课件

WEEK11

-光的偏振状态和偏振片

--光的偏振状态

--光的偏振状态(续)

--起偏和检偏

-WEEK11--光的偏振状态和偏振片

-反射和折射光偏振

--反射和折射及散射光的偏振

-WEEK11--反射和折射光偏振

-晶体双折射、波片

--双折射

--双折射(续)

--波片

-WEEK11--晶体双折射、波片

-偏振光干涉、人工双折射和旋光

--偏振光的干涉

--人工双折射

--旋光现象

-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光

-量子物理诞生和黑体辐射

--量子物理

--黑体辐射

-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射

-WEEK11--本周作业

-week11课件

WEEK12

-光电效应、光子和康普顿效应

--光电效应

--光子

--光子(续)

--光子(续2)

--康普顿效应

-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应

-物质波、波函数和概率密度

--物质波

--波函数

--波函数(续)

-WEEK12--物质波、波函数和概率密度

-不确定性关系

--不确定关系

-WEEK12--不确定性关系

-薛定谔方程

--薛定谔方程

-WEEK12--薛定谔方程

-一维无限深势阱

--一维无限深势阱

-WEEK12--一维无限深势阱

-WEEK12--本周作业

-week12课件

WEEK13

-一维问题

--一维谐振子

--势垒穿透

--扫描隧道显微镜

-WEEK13--一维问题

-氢原子能级和角动量

--原子中的电子

--玻尔理论发展的基础

--氢原子的量子力学处理

--能量量子化

-WEEK13--氢原子能级和角动量

-电子自旋、费米子和泡利不相容原理

--电子自旋与自旋轨道耦合

--碱金属原子光谱的双线

--微观粒子的不可分辨性

--各种原子核外电子排布

-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理

-WEEK13--本周作业

-week13

WEEK14

-X射线、激光、分子光谱简介

--video

--Video

--分子光谱简介

--激光

--光学谐振腔

-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介

-固体电子气模型和量子统计

--固体

--自由电子气体模型

--量子统计

-WEEK14--固体电子气模型和量子统计

-能带模型

--能带

-能带模型--作业

-本周作业

--WEEK14--本周作业

-week14

WEEK15

-半导体和PN结

--Video

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-WEEK15--半导体和PN结

-原子核性质、核磁共振

--Video

--Video

--Video

-WEEK15--原子核性质、核磁共振

-放射性和衰变规律

--Video

--α衰变

--穆斯堡尔效应

--β衰变

-WEEK15--放射性和衰变规律

-结合能、核力

--核的结合能

--核力

-WEEK15--结合能、核力

-粒子物理简介

--基本粒子

-WEEK15--粒子物理简介

-本周作业

--WEEK15--本周作业

-week15课件

期末考试

-期末考试--期末考试题Part1

-期末考试--期末考试Part2

-期末考试--期末考试Part3

光学谐振腔笔记与讨论

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