激光原理与技术课件.ppt

1、 激光原理与技术主讲人：朱广志华中科技大学光电子科学与工程研究院 2006-2 第一部分：绪论及激光的基本原理n绪论 1. 激光发展的历史 2. 激光技术的展望n激光的基本原理 1.相干性的光子描述 2.光的受激辐射基本概念 3.光的受激辐射放大与自激振荡 4.激光的特性绪论n激光科学是一门交叉性很强的学科。包括：物理、材料、电子、信息、化学等诸多方面。LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation爱因斯坦关于“光放大”的“受激辐射”原理Light，光；Amplification，放大器；Stimulated，受激

2、发的；Emission，辐射；Radiation，放射性物质。 激光发展的历史n1917，爱因斯坦提出“受激辐射可以实现光放大的概念”为激光器的发明奠定理论基础。n随后科学家证明：受激辐射的光子与激励光子具有相同的频率、方向、相位、偏振。n1954，美国-汤斯；苏联-巴索夫；苏联-普洛霍洛夫，创造性地继承和发展了爱因斯坦的理论，提出用原子，分子的受激辐射来放大电磁波的新理论，并第一次实现了氨分子微波量子振荡器（MASER)。-量子电子学的诞生激光发展的历史n1958， 汤斯(Towns)和肖洛(A.L.Schawlow)提出开放式光学谐振腔(利用的F-B干涉仪的思想）实现了光振荡的新思路。n布

3、隆伯根布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思。n19601960：美国休斯休斯公司实验室梅曼梅曼(T.H.Maiman) 世界上第一台红宝石红宝石固态激光器诞生。激光发展的历史n19971997: 朱棣文朱棣文、菲利普菲利普(W.Phillips)和塔罗季塔罗季（C.Tannoudi) 利用激光冷却和钳制原子的研究。n2000: 2000: 赫伯特赫伯特克雷歇尔（克雷歇尔（H.Pressel），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。激光技术的展望n学科的拓展：非线性作用及其各种非线性光子器件的应用研究是主要的发展方向之一。n技术的发展：新

4、型光电器件的研究；光机电一体化的研发。n应用的发展：光纤通信；激光医学；激光光谱学；工业激光的应用；光纤传感技术等。激光的基本原理n本章重点讨论光的相干性和光波模式的联系、以及光的受激辐射以及光放大和振荡的基本概念。n1.相干性的光子描述n2.光的受激辐射基本概念n3.光的受激辐射放大与自激振荡n4.激光的特性对激光器的初步认识n按激光工作物质分类： 固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体（有机染料）激光器n 一般激光器的三个主要组成部分： 激光工作物质、光学谐振腔、激励能源1.相干性的光子描述n光具有波粒二象性： 光的粒子属性：能量、动量、质量等 光的波动属性：频率、波矢、偏振等 （1

5、）光子能量与光波频率的关系 （2）光子的运动质量 （3）光子的动量与单色平面波的波矢的关系h22chcm（4）光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向。（5）光子具有自旋、并且自旋量子数为整数。 因此，量子电动力学从理论上把光的波动理论和光的光子（粒子）理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上阐明了光的波粒二象性。从经典波动光学的角度出发： 单色平面波的描述方程： 在自由空间，具有任意波矢的单色波都可以存在，但是当光被约束在有限空间,其本征模式不同于平面单色波,在一个有界的空间V内，只有一系列特定的平面单色驻波存在。ikrvtieEtrE20),(在空腔为 的

6、立方体内，满足驻波条件：相邻模的间隔为：则每个模式在空间占有的体积元为：在波矢空间的单位体积：处在频率v附近频率dv内的模式数为：zyxVzkykxkzyx,Vzyxkkkzyx33|4812kdkVdvcvP328n从粒子的角度出发：测不准关系：相格：一个光子态对应的相空间的体积元，称为相格。是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。一个相格所对应的空间体积：从波动与粒子理论的关系：代入： 得zyxPPPhzyx3Vzyxkkkzyx333hPPPzyxzyx1.相干性的光子描述n光子的相干性：分为空间相干性和时间相干性 相干体积：在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，称Vc为相干体

7、积。 相干时间：)()(cccLAV相干长度相干面积vtc1)10:8stt原子的激发态寿命（n光子简并度： 处于同一光子态的光子数称为光子简并度。 光子简并度具有以下几个相同的含义： 同态光子数=同一模式内的光子数=处于相干体积内的光子数=处于同一相格内的光子数 相干光强是描述光的相干性的重要参数之一。相干光强决定于光子简并度的多少。 2.光的受激辐射基本概念黑体辐射的普朗克公式： 黑体辐射：黑体吸收的能量与辐射场的能量之间处于能量的平衡状态的辐射场称为黑体辐射。 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率v的函数，并用单色能量密度 来描述。 定义为：在单位体积内，频率处于v附近的单位频率间隔中的电磁

8、辐射能量。vv2.光的受激辐射基本概念黑体辐射的普朗克公式：2.光的受激辐射基本概念一、光和物质相互作用的三种过程(Spontaneous Emission)随机, 独立进行,无关联; 相位,偏振,方向随机;能量分布在许许多多模式受外来光 刺激 = E2-E1 / h 受外来光刺激 , 产生与入射光子属同一状态的光子, 受激吸收的逆过程自发辐射(SP) E1E2h受激吸收(STA)hE1E2(Stimulated absorption)受激辐射(STE)hE1E22h(Stimulated Emission)单色能量密度 (J m-3 s)1832KThehc受激吸收几率 W12112121n

9、dtdnWsta1212BW受激辐射几率 W21221211ndtdnWste2121BW221211ndtdnAsp自发辐射几率 A21sA121均与原子本身性质有关211221,BBA坦系数：受激吸收跃迁爱因斯12B坦系数：受激辐射跃迁爱因斯21B二、二、爱因斯坦关系式 A21 、B21 和B12的关系2211123321218fBfBhnchBA爱因斯坦关系热平衡黑体辐 射 公 式KTEEffnn121212exp玻尔兹曼分布stastspdtdndtdndtdn122121112221221nBnBnA1832KThehc模密度模密度n n 黑体辐射分配到黑体辐射分配到腔内每个模式的腔

10、内每个模式的平均能量平均能量112121122121kTheffBBBA21122112WWBBf1=f2说明：1、上述三种过程同时存在只是强弱存在差别。2、在热平衡状态下两种辐射的比较（自发辐射和受激辐射）：自发辐射占绝对优势。3、在热平衡状态下两种受激跃迁的比较（受激吸收和受激辐射）：受激吸收占主导优势。4、自发辐射的光子可作为受激吸收和受激辐射的诱导光子5、自发辐射的光子相位无规则分布因而不具有相干性；受激辐射的光子与入射光子具有相同光子态。3.光的受激辐射放大与自激振荡光的自发辐射非相干光光子简并度很低光的受激辐射相干光光子简并度很高黑体辐射的光子简并度： 映射出激光器的设计思想：希望

11、受激辐射所产生的相干光子大大的增加=1.光波模式的选择；2.光的受激放大辐射。2121212133811AWABchvehvEnvvKThv模式数总光子数2121AWn 根据激光器基本思想211wn要使 特定模式的增加, 其它模式数减少，使相干的STE 光子集中在一个或少数几个模内。 技术思想的重大突破 ：封闭腔 开放式光谐振腔 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它模 式(非轴向) 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 光谐振腔有选模作用，是构成激光器的主要部分。 轴向模轴向模F-P 光谐振腔一、实现光放大的条件粒子数反转211212ffennKTEEEn常温下，Bolzman分布

12、反转分布12nn （population inversion）12nn 粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大s实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质s粒子数反转分布是产生激光的前提条件s如何实现粒子数反转分布？ 只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转二、增益系数（Gain Coefficient）与增益曲线 增益系数单位长度介质中光强增大的百分比 zIdzzdIzg1 dzhnwnwzdI112221 dzznznzhBzdI1221 znznhBzg1221n(z)21ff cI 0z增益介质I(z)I00zdz薄层净净STE光子数密度光子数密度2

13、121Bw znzg 若介质中n分布均匀, g(z)常数 g0 小信号增益系数 000000zgznzgznzgzn光放大光被吸收透明透明* * znhBzg21 zIdzzdIzg1 zzgeIzI0 zgeIzI00 随着介质内光强不断增大，增益系数是否能保持常数gnI请考虑每一变化的物理原因？请考虑每一变化的物理原因？受激辐射使消耗反转粒子数增多（注意前提条件注意前提条件） zzgeIzI0 反转粒子数饱和 增益饱和增益饱和 g(I) （Gain Saturation)问题: 何时会出现增益饱和？饱和光强 Is : 其值由增益介质本身性质决定（4.5节讨论） sIzInzn1 sIzIg

14、zg10ng 光强增大到一定程度一定程度, g 将随 I 的增大而减小 gIzIIgIzIgzgIzIsss)(0小信号增益系数，常数，与 I 无关大信号增益系数， g(I) g0增益饱和（饱和增益系数）增益曲线 g() 增益系数g()相对于频率的分布问题的提出：引起STE的外来光(自发辐射）不是单一频 率，有一定的频率分布,(第四章详细讨论) g(0增益宽度 : 处所对应的频率宽度20g zIdzzdIz1g znznhBz1221 zeIzI0g & 并存的介质中，光强的变化 dzzIzgzdI解微分方程并有 0gzg zgeIzI00dz薄层三、自激振荡器 （1）自激振荡概念 (电路)自

15、激振荡器必须具备的基本条件：同相；振幅平衡激光器 激光自激振荡器如何实现光的正反馈和稳定的振幅（光强）？光谐振腔光谐振腔介质的增益和增益的饱和介质的增益和增益的饱和I0Imgg0zzI0只要增益介质足够长，无论初始光强 I0 如何，通过增益饱和，总可以达到确定的极值光强 Im 即自激振荡概念设增益介质无限长，且增益与损耗并存 zgeIzI00 zgzII0 zI zg mIzI zg zg sIzI 激光器是否振荡与初始光强无关 初始光强来自于自发辐射 介质增益和增益饱和的平衡决定了 激光工作物质的最后输出功率（2） 如何使有限长增益介质成为“无限长”光放大器 （3） 自激振荡条件 阈值条件

16、(Threshold condition)0)(20211)(2)(01000IeIrrrereIILgLgLgr1r2腔内充满折射率为，长度为L的介质g, I0I1沿着腔轴的光在腔内多次往返无限长放大器自激振荡器 谐振腔作用: 光学正反馈 模式选择, 控制 1nr1r2激活介质激励能源光源气体放电电注入化学12101ln2122LrrLge1)(2210LgerrLrr211ln2110Lge单程损耗，即单程渡越时腔内平均光强衰减的比值阈值条件Lg00g或= 阈值(自激振荡)条件是激光产生的必要条件，唯一地 由激光器的损耗决定。 损耗是评价激光器的重要指标激光器中各种损耗r1r2 透射损耗透

17、射损耗; ;衍射损耗衍射损耗; ;几何偏折损耗几何偏折损耗; ;吸收、散射损耗等吸收、散射损耗等阈值特性4.激光的特性激光的相干性分为：一、空间相干性；二、时间相干性；三、相干强度；一、空间相干性与方向性n激光束的空间相干性与方向性都和激光的横模结构相联系。 为提高激光器的空间相干性，首先要求激光器尽量工作在基模TEM00的状态下-必须采用选模技术，二、时间相干性与单色性激光的相干时间 和单色性 的关系即：单色性越高，相干时间越长实现方式：选模技术和稳频技术cvvc1三、相干强度与高亮度n高连续功率-气体激光器n高峰值功率-固体激光器n高亮度-高的光子简并度参考书目n卢亚雄，杨亚培等，激光束传输与变换技术，成都：电子科技大学出版社，1997n方洪烈，光学谐振腔理论，北京：科学出版社，1981nAmnon Yariv, Introduction to optical Electronics ,2d Ed, New York: Halt ,Rinehart and Winston 1976n吕百达 激光光学，成都：四川大学出版社，1992课后作业：P2223: 2, 3, 5, 8