《激光原理》课件：2-1.ppt

1、2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器红宝石激光器红宝石激光器= 694.3nm= 694.3nm2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器一、结构一、结构 的反射率是的反射率是100， 的反射率为的反射率为4070（称为半反（称为半反射），射）， 是工作物质红宝石（是工作物质红宝石（ ），由），由 单晶中掺入单晶中掺入少量三价铬少量三价铬 离子（离子（0.05%）组成）组成 。1M2MRRuby3Cr32OAl 是个氙灯（石英管内是氙气），可以通过数百安上千安是个氙灯（石英管内是氙气），

2、可以通过数百安上千安的电流，发出极强的可被红宝石中的电流，发出极强的可被红宝石中 离子吸收的光谱，离子吸收的光谱，氙灯的作用是把电能转化为可被氙灯的作用是把电能转化为可被 吸收的光能。吸收的光能。L3Cr3Cr 是一高压电容，作用是放电时为氙灯提供大电流，因它是一高压电容，作用是放电时为氙灯提供大电流，因它的作用是向氙灯提供能量，所以又叫储能电容，其容量一般的作用是向氙灯提供能量，所以又叫储能电容，其容量一般为数百上千为数百上千 ，耐压数千伏。，耐压数千伏。CF 是一椭圆反射镜（又称聚光镜），光从一个焦点出来是一椭圆反射镜（又称聚光镜），光从一个焦点出来一定被反射到另一焦点。一定被反射到另一焦

3、点。 KC 是一小变压器，变压比数百至上千，次级绕在氙灯上，是一小变压器，变压比数百至上千，次级绕在氙灯上，初级和小电容初级和小电容 及可控硅连接，可控硅的触发端控制及可控硅连接，可控硅的触发端控制什么时候发射激光。什么时候发射激光。T)1 (FCCCL1M2MKR2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器1 1、打开高压直线电源，直流电源将向储能电容、打开高压直线电源，直流电源将向储能电容 充电。充电。 中储能：中储能： 。电容中的电荷不可能。电容中的电荷不可能从氙灯上流过，因为氙灯的着火电压有上万伏。这从氙灯上流过，因为氙灯的着火电压有上万伏。这时高压便加在氙灯两端，氙

4、灯并不放电发光。时高压便加在氙灯两端，氙灯并不放电发光。CC212CV二、工作过程二、工作过程CCTFC12、 上充电。其通路为：220V电压源 的初级地 。4. 4. 椭圆聚光镜（腔）把氙灯光汇聚到红宝石棒椭圆聚光镜（腔）把氙灯光汇聚到红宝石棒上。上。3. 3. 完成完成1 1和和2 2后，在后，在P P点加点加3V3V10V10V电压，可控硅即导电压，可控硅即导电导通。电导通。 通过可控硅、通过可控硅、T T的初级放电形成电流。在变的初级放电形成电流。在变压器的次级感生出上万伏高压，高压使氙灯上的氙原压器的次级感生出上万伏高压，高压使氙灯上的氙原子电离，从绝缘体变成导体，储能电容子电离，从

5、绝缘体变成导体，储能电容 C C 内储存的数内储存的数千焦耳的能量流过氙灯。此时氙灯仅有不足千焦耳的能量流过氙灯。此时氙灯仅有不足11的电阻。的电阻。数千伏电压产生数千安的电流。氙灯光比照相机闪光数千伏电压产生数千安的电流。氙灯光比照相机闪光灯亮得多。灯亮得多。 PC2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 实际是一个能带（能量范围很大），所以实际是一个能带（能量范围很大），所以 离子可吸收氙灯光中一个较宽频带的光子而跃迁离子可吸收氙灯光中一个较宽频带的光子而跃迁到到 能级上。能级上。3E3Cr3E5. 5. 红宝石棒中的红宝石棒中的 离子将吸收氙灯光中的绿光光离子将吸收

6、氙灯光中的绿光光子，把光子的能量变成自己的内能，由基态（能量子，把光子的能量变成自己的内能，由基态（能量最低状态）能级跃迁到高能级。红宝石中最低状态）能级跃迁到高能级。红宝石中 的能的能级如下图所示。一般把基态能级用级如下图所示。一般把基态能级用 表示，高能表示，高能级用级用 表示。表示。 从从 跃迁到跃迁到 ，吸收光子的能，吸收光子的能量：量： 。3Cr3Cr3Cr1E2E1E3EhEE13 红宝石中的红宝石中的 能级简图能级简图3Cr1E2E2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 离子跃迁到高能级上后，不能久留（即能级寿命短）；离子跃迁到高能级上后，不能久留（即能级

7、寿命短）；1010-9-9秒左右的时间即离开秒左右的时间即离开 。往哪里去，仍能回到基态。往哪里去，仍能回到基态 ？不，绝大多数将跃迁到另一能级不，绝大多数将跃迁到另一能级 上。上。 是个是个亚稳态亚稳态（即稳定程度仅次于稳态的原子能级状态）。（即稳定程度仅次于稳态的原子能级状态）。 离子在这离子在这个态上存留的时间是个态上存留的时间是3 31010-3-3秒，比秒，比 长长10106 6倍。倍。 是个好是个好地方，地方， 离子在这里不走了。离子在这里不走了。 离子从离子从 的过程的过程必须放出能量必须放出能量 ，这部分能量是通过碰撞方式传给红，这部分能量是通过碰撞方式传给红宝石晶体的，使晶体

8、变热，红宝石粒子这种跃迁过程不发宝石晶体的，使晶体变热，红宝石粒子这种跃迁过程不发出光子，叫出光子，叫无辐射跃迁无辐射跃迁。3Cr23EE 3Cr3Cr3Cr1E2E3E2E3E2E23EE 2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器6. 6. 到此，让我们别忘了，氙灯仍然在放光，所以大量的离到此，让我们别忘了，氙灯仍然在放光，所以大量的离子吸收氙灯光子从基态子吸收氙灯光子从基态 跃迁到跃迁到 ，又迅速地从，又迅速地从 跃跃迁到迁到 ，到了，到了 就停下来，使大量的就停下来，使大量的 离子源源不断离子源源不断地被地被“抽运抽运”到到 （或被（或被泵浦泵浦到到 ）。氙灯的作用

9、就象）。氙灯的作用就象是一个泵，但这不是水泵，而是是一个泵，但这不是水泵，而是光泵光泵，所以把氙灯又叫光，所以把氙灯又叫光泵（泵（Light pumpsLight pumps）。）。3Cr3E2E1E3E2E2E2E7. 7. 设想一个光子（能量设想一个光子（能量 ）进入红宝石并和）进入红宝石并和 离子碰撞，在碰撞中可能发生两种情况：离子碰撞，在碰撞中可能发生两种情况：(1) (1) 如果所碰到的如果所碰到的 离子在基态，离子在基态， 离子将光子吸收跃离子将光子吸收跃迁到高能态迁到高能态 ，这叫，这叫受激吸收受激吸收。12EE 3Cr3Cr3Cr2E3Cr(2) (2) 如果碰到的如果碰到的

10、离子在激发态，离子在激发态， 离子发射出和入射离子发射出和入射光一样的光子，这就是受激辐射，也就是说光是被吸收还光一样的光子，这就是受激辐射，也就是说光是被吸收还是激发出一个新光子完全取决于是激发出一个新光子完全取决于 离子所在的能级。离子所在的能级。 3Cr3Cr2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器从几率的概念看问题。如果高能级从几率的概念看问题。如果高能级 上的粒子数上的粒子数 小于低小于低能级能级 上的粒子数上的粒子数 ，则光子被吸收的可能性要大于再激，则光子被吸收的可能性要大于再激发出一个新光子的可能性；如果发出一个新光子的可能性；如果 ，则很可能再激发出，则

11、很可能再激发出一个新光子的可能性大于光子被吸收的可能性。一个新光子的可能性大于光子被吸收的可能性。定义定义 叫粒子数反转叫粒子数反转（粒子布居数反转），所谓反转是指本来（粒子布居数反转），所谓反转是指本来 离子基本都在离子基本都在 上（上（ ），现在），现在 ，所以叫粒子，所以叫粒子分布（布局）反转了。当大量光子进入一个粒分布（布局）反转了。当大量光子进入一个粒子子布居数反转布居数反转的红宝石时，将有多于半数的光子保存了自己并激发了新光的红宝石时，将有多于半数的光子保存了自己并激发了新光子，少于半数的光子被吸收，宏观来看光被放大了，这就是子，少于半数的光子被吸收，宏观来看光被放大了，这就是光放

12、大。红宝石能使光放大叫对光有增益。粒子布局数反转光放大。红宝石能使光放大叫对光有增益。粒子布局数反转是实现光放大的必要条件之一。是实现光放大的必要条件之一。 2N12NN 21NN 1E3Cr2E12NN 1N1E12NN 2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器8. 8. 光泵发出的光越强，可在很短的时间内把大量光泵发出的光越强，可在很短的时间内把大量 离子离子从基态从基态 抽运到亚稳态抽运到亚稳态 （经（经 ），从而实现粒子数反），从而实现粒子数反转，转， 的能级寿命越长，越容易实现粒子布局数反转。的能级寿命越长，越容易实现粒子布局数反转。3Cr3E2E1E2E9.

13、9. 一些上的粒子因自发辐射辐射出一些上的粒子因自发辐射辐射出694.3nm694.3nm的光子，这些的光子，这些光子中总有一些是沿红宝石轴向的光被红宝石放大、又被光子中总有一些是沿红宝石轴向的光被红宝石放大、又被反射镜来回反射，反复放大，光强越来越强，这就是激光。反射镜来回反射，反复放大，光强越来越强，这就是激光。两反射镜的作用相当于电子振荡线路中的反馈回路。一切两反射镜的作用相当于电子振荡线路中的反馈回路。一切激光器都要有光的反馈光路，也就是说一切激光器都必须激光器都要有光的反馈光路，也就是说一切激光器都必须有一个谐振腔（有两片反射镜）。有一个谐振腔（有两片反射镜）。2.1红宝石激光器红宝

14、石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器10. 10. 在电子线路中电子振荡器必须满足幅值条件，振荡器在电子线路中电子振荡器必须满足幅值条件，振荡器的放大倍数必须大于信号沿反馈回路一周的损失。在激光的放大倍数必须大于信号沿反馈回路一周的损失。在激光器中，这一条件也必须得到满足，叫做：器中，这一条件也必须得到满足，叫做：光在沿谐振腔往光在沿谐振腔往返一周所获得的增益，必须大于光在谐振腔中的往返一周返一周所获得的增益，必须大于光在谐振腔中的往返一周所受的损失。所受的损失。即增益大于损耗。增益由红宝石提供，损耗即增益大于损耗。增益由红宝石提供，损耗主要是由于谐振腔半反射镜漏光引起的。主要是由于谐振腔

15、半反射镜漏光引起的。定义：定义：(1) (1) 刚刚能使红宝石激光器形成激光振荡的储能电容器刚刚能使红宝石激光器形成激光振荡的储能电容器的能量叫红宝石激光器的的能量叫红宝石激光器的能量阈值能量阈值。(2) (2) 能使激光器形成激光振荡的增益系数叫能使激光器形成激光振荡的增益系数叫增益系数的增益系数的阈值阈值（增益系数即单位长度介质放大倍数）。（增益系数即单位长度介质放大倍数）。11. 11. 当电容的电压下降到不能维持氙灯点燃时，离子的抽当电容的电压下降到不能维持氙灯点燃时，离子的抽运停止了，激光发射也就终止了。运停止了，激光发射也就终止了。2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光

16、器典型激光器激光形成过程图示激光形成过程图示2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器三、红宝石激光器输出光的特性三、红宝石激光器输出光的特性 红宝石激光器是典型的固体激光器，一个普红宝石激光器是典型的固体激光器，一个普通红宝石激光器输出光的特性是：通红宝石激光器输出光的特性是：多脉冲、多脉冲、宽光谱、高功率。宽光谱、高功率。具体可作如下描述：具体可作如下描述：1. 1. 时间特性：时间特性：激光呈尖峰脉冲结构。如下激光呈尖峰脉冲结构。如下图所示。图所示。(1)(1)氙灯点燃氙灯点燃0.5ms0.5ms后，后开始出现后，后开始出现激光。激光。(2)(2)然后是一系列尖峰脉冲

17、，两尖峰然后是一系列尖峰脉冲，两尖峰间约数微秒间隔，有数千脉冲。间约数微秒间隔，有数千脉冲。2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器形成脉冲的原因：形成脉冲的原因：一旦激光形成了，一旦激光形成了，就存在着增加粒子就存在着增加粒子反转和减小粒子反反转和减小粒子反转两个过程。氙灯转两个过程。氙灯积累积累激光激光减减小小无光无光再积累再积累再出光再出光再减小再减小再无光再无光氙灯熄氙灯熄灭。灭。2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2. 2. 谱线宽度：谱线宽度：0.4 nm（2.4 105 MHz），这样的这样的宽度比宽度比 HeNeHeNe 激光宽度

18、（激光宽度（1010-5-5 nmnm）要宽得多。相）要宽得多。相干性比较差，但在动态全息摄像中又需要它。干性比较差，但在动态全息摄像中又需要它。3. 3. 输出功率高，输出功率高，如果使用调如果使用调 Q Q 技术可以使功技术可以使功率可达到数万、数十万、数百万兆瓦。率可达到数万、数十万、数百万兆瓦。2.1红宝石激光器红宝石激光器第第2章章 典型激光器典型激光器四、形成激光振荡的基本问题四、形成激光振荡的基本问题从红宝石激光器工作过程看，什么问题是要从红宝石激光器工作过程看，什么问题是要引起关注的呢？引起关注的呢？（1 1）泵浦方法泵浦方法（如何把粒子运到激光上能（如何把粒子运到激光上能级以产生粒子数反转）。级以产生粒子数反转）。（2 2）激光工作物质的增益问题激光工作物质的增益问题（增益的产（增益的产生，以及增益大于损耗）生，以及增益大于损耗）。（3 3）激光谐振腔激光谐振腔（提供反馈回路，实现多（提供反馈回路，实现多次往复的光放大）次往复的光放大）。