激光基本知识与选模课件.ppt

1、第二讲第二讲 激光原理与选模激光原理与选模电子工程学院光电子技术系电子工程学院光电子技术系主主 要要 内内 容容一、激光历史回顾一、激光历史回顾二、激光原理简述二、激光原理简述三、谐振腔的结构与作用三、谐振腔的结构与作用四、激光模式的选择四、激光模式的选择 激光技术、计算机技术、原子能技术、生物激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。类探索自然和改造自然的强有力工具。与电子电力技术、自动化测控技术的完美与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好结合

2、，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。生活。一、激光的历史回顾一、激光的历史回顾（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。）的缩写。1960年，美国物理学家梅曼（年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验）在实验室中做成了第一台红宝石室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于激光器。我国于1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。光是（波长较短的）光是（波长较短

3、的）电磁波电磁波“激光激光”（LASER）一词是受激辐射光放大）一词是受激辐射光放大 50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控激光雷达，激光制导，激光分离同

4、位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。该领域的有关诺贝尔奖该领域的有关诺贝尔奖v1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的发明微波激射器和激光器的发明v1971:Dennis Gabor,激光全息术激光全息术v1981:洛洛.布隆姆贝根布隆姆贝根,激光光谱学激光光谱学v1997:朱隶文朱隶文等三人等三人,激光冷却和陷俘原子激光冷却和陷俘原子 说明:朱隶文系美籍华人,1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究院院士 v 2005：

5、罗伊：罗伊格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献 约翰约翰霍霍尔、奥多尔尔、奥多尔汉斯：基于激光的精密光谱学研究汉斯：基于激光的精密光谱学研究 授予在光学领域的理论和应用方面做出贡献的两名美国人和一名德国授予在光学领域的理论和应用方面做出贡献的两名美国人和一名德国人。他们是：哈佛大学罗伊人。他们是：哈佛大学罗伊格劳伯（下图左）、科罗拉多大学约格劳伯（下图左）、科罗拉多大学约翰翰霍尔和德国路德维希霍尔和德国路德维希-马克西米利安大学特奥多尔马克西米利安大学特奥多尔汉斯（下图右）。汉斯（下图右）。格劳伯是因为格劳伯是因为“对光学相干的量子理论的贡献对光学相干的量子理论

6、的贡献”而获奖，他的研究不仅而获奖，他的研究不仅为新兴的量子光学研究奠定了基础，他和其他科学家在这一领域的研究为新兴的量子光学研究奠定了基础，他和其他科学家在这一领域的研究成果，也有望在未来用于开发更加安全的通信加密技术。霍尔和汉斯获成果，也有望在未来用于开发更加安全的通信加密技术。霍尔和汉斯获奖是因为对基于激光的精密光谱学发展做出了贡献，使奖是因为对基于激光的精密光谱学发展做出了贡献，使“光梳光梳”等技术等技术的测量精度有望进一步提高，并将在很多领域找到用武之地。这些技术的测量精度有望进一步提高，并将在很多领域找到用武之地。这些技术有望改进现有的全球定位系统，提高太空望远镜的观测精度。另外，

7、类有望改进现有的全球定位系统，提高太空望远镜的观测精度。另外，类似的超高精度测量技术，也可能应用于研究物质和反物质的关系，以及似的超高精度测量技术，也可能应用于研究物质和反物质的关系，以及用于检测某些自然界常数可能产生的变化。用于检测某些自然界常数可能产生的变化。20052005年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 二、二、激光原理简述激光原理简述 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的都只能在某两个

8、定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激辐射。存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2如图如图1-11-1所示，有一个原子开始时处于基态所示，有一个原子开始时处于基态E E1 1，若不存在任何外，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hvhv，与该原子发生相互作用。且与该原子发生相互作用。且 ，其中：，其中：E E2 2为原为原子的某一较高的能量状态子的某

9、一较高的能量状态激发态。则原子就有可能吸收这激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量值得注意的是，只有外来光子的能量hvhv恰好等于原子的某两能恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收级之差时，光子才能被吸收。12EEhv原子吸收原子吸收 E1E3E2图1-1 原子吸收示意图hvE1E3E2 与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为的。它们在激发态停留的时间非常短（

10、数量级约为1010-8-8s s），），之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2 自发辐射示意图E1E3E2自发辐射自发辐射自发辐射的特点：自发辐射的特点：这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方地进行。因而所发光子的频

11、率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。受激辐射受激辐射 处于激发态的原子，在其发处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来生自发辐射前，

12、若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足量恰好满足 ，原子就有可能从激发态原子就有可能从激发态E E2 2跃迁至跃迁至低能态低能态E E1 1，同时放出一个与外来，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。光子具有完全相同状态的光子。如图如图1-31-3所示。这一过程被称为所示。这一过程被称为受激辐射。受激辐射。12EEhvLight or laser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图1-3 受激辐射示意图hvhvhvhvhvhvhv输入输出图1-4 光放大示意图 这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激这种过程是在外界光子的刺激作用下

13、发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。图子。这便是受激辐射的光放大。图1-

14、41-4就是受激辐射光放大就是受激辐射光放大的示意图。的示意图。受激辐射的特点：受激辐射的特点：（1 1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；（2 2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；极高的激光束；（3 3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光）外部的工

15、作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、激发电压等等。激发电压等等。Light or laser无辐射跃迁产生激光的必要条件：产生激光的必要条件：1.1.单向性极好：普通光源向四面八方发射能单向性极好：普通光源向四面八方发射能量，其能量分布在全空间量，其能量分布在全空间4 4 立体角内。而激光立体角内。而激光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向则是沿一条直线传播，能量集

16、中在其传播方向上。其发散角很小，一般为上。其发散角很小，一般为1010-5-51010-8-8球面度。球面度。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射原理展为几十米。激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这种和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。良好的单向性可用于定位、测距、导航等。激光的特性：激光的特性：2.2.单色性极强：单色性极强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到

17、的单色光的从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为谱线宽度约为1010-2-2纳米，单色性最好的氪灯（纳米，单色性最好的氪灯（8686KrKr）的谱线）的谱线宽度为宽度为4.74.71010-3-3纳米。而氦氖激光器发射的纳米。而氦氖激光器发射的632.8632.8纳米激光纳米激光的的谱线宽度谱线宽度只有只有1010-9-9纳米。若从多模激光束中提取单模激光，纳米。若从多模激光束中提取单模激光，再采取稳频技术措施，还可以进一步提高激光的单色性。利再采取稳频技术措施，还可以进一步提高激光的单色性。利用激光良好的单色特性，可以作为计量工作的基准光源。例用激光良好的单色特性，可以

18、作为计量工作的基准光源。例如，用单色、稳频激光器作为光频计时基准，它在一年内的如，用单色、稳频激光器作为光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过计时误差不超过1 1微秒，大大超过原子钟的计时精度。微秒，大大超过原子钟的计时精度。图1-5 普通光源荧光光谱，谱线宽度约为：150 nm600800400nm荧光光谱荧光光谱 3.3.高亮度：高亮度：光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太阳表面的亮度比蜡烛大阳表面的亮度比蜡烛大3030万倍，比白炽灯

19、大几百倍。而一万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大1010亿倍。亿倍。激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。冲窄，光功率密度却非常大。图图1-6 理想锁模可获得窄脉冲激光 由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中，由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中，因此，能在直径极小的区域内（因此，能在直径极小的区域内（1010-3-3毫米）产生几百万毫米）产生几百万度的高温。从一个功率为度的高温。从一个功率为1kw1kw的的COCO

20、2 2激光器发出的激光激光器发出的激光束经过聚焦以后，在几秒钟内就可以将束经过聚焦以后，在几秒钟内就可以将5cm5cm厚的钢板烧厚的钢板烧穿。工业上利用激光高亮度的特性，在金属钻孔、焊穿。工业上利用激光高亮度的特性，在金属钻孔、焊接、切割、表面热处理、表面氧化等方面的应用近年接、切割、表面热处理、表面氧化等方面的应用近年来有很大的发展。来有很大的发展。4.4.相干性好：相干性好：普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。因此也

21、可以说激光具有非常好的相干性。用激光做数量级。因此也可以说激光具有非常好的相干性。用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效果。另光源进行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效果。另外，激光问世以来，推动了全息光学技术、激光光谱技术的外，激光问世以来，推动了全息光学技术、激光光谱技术的发展。发展。由于激光具有上述这些良好的特性，从而突破了传统光由于激光具有上述这些良好的特性，从而突破了传统光源的种种局限性，引起了现代光学应用技术的革命性发展。源的种种局限性，引起了现代光学应用技术的革命性发展。同时促进了包括化学、生物学、医学、工业加工与检测技术、同时促进了包括化学、生物学、医学、工

22、业加工与检测技术、军事等科学的迅速发展。军事等科学的迅速发展。谐振腔谐振腔实现粒子数反转分布的条件：实现粒子数反转分布的条件：激励源(泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等 激励-从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称“激发”、“抽运”或 “泵浦”）。1）光泵抽运）光泵抽运如红宝石激光器如红宝石激光器粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2E1E22）电子碰撞）电子碰撞-如氩离子激光器如氩离子激光器电子电子3）化学反应）化学反应如氟化氘激光器等。如氟化氘激光器等。4）共振转移）共振转移如如He-Ne激光器激光器

23、。-NeHe-NeHe-三、谐振腔的结构与作用三、谐振腔的结构与作用v光腔的作用光腔的作用:放大放大-使某一频率的光多次往返传播,激励处于反转状态的工作物质,造成连锁反应,以实现光放大.泵泵 浦浦 光光输输 出出 激激 光光对激光对激光100%反射反射有小部分激光透射有小部分激光透射选向选向-将传播方向偏离光轴方向太多的光子淘汰掉,使得到的激光是一束 方向性很好的光.选频选频-反射镜镀上多层膜,膜厚度/4,使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,得到单色性好的激光谐振腔的选择：谐振腔的选择：衍射损耗 模体积 腔体镜面的安装典型的激光器谐振腔典型的激光器谐振腔谐振腔的种类：谐振腔的种类：平行平面腔同

24、心球面腔共焦谐振腔长半径球面腔半球型谐振腔平凹稳定腔非稳定腔平行平面腔结构示意图平行平面腔结构示意图平行平面腔的优势平行平面腔的优势:模体积大;腔内激光辐射没有聚焦现象平行平面腔的劣势平行平面腔的劣势:镜面调整难度高;衍射损耗高 平行平面腔主要应用于高功率脉冲激光器!平行平面腔平行平面腔同心球面腔结构示意图同心球面腔结构示意图同心球面腔主要应用于连续工作的染料激光器泵浦激光器.同心球面腔的优势同心球面腔的优势:衍射损耗低衍射损耗低;易于安装调整易于安装调整同心球面腔的劣势同心球面腔的劣势:模体积小模体积小;腔内产生光辐射聚焦现象腔内产生光辐射聚焦现象同心球面腔同心球面腔 共焦谐振腔示意图共焦谐

25、振腔示意图共焦谐振腔一般应用于连续工作的激光器共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间，其特共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间，其特点如下：点如下：1）镜面较易安装、调整；2）较低的衍射损耗；3）腔内没有过高的辐射聚焦现象；4）模体积适度；共焦谐振腔共焦谐振腔 长半径球面腔示意图长半径球面腔示意图长半径球面谐振腔适于连续工作的激光器长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点如下：如下：1）中等的衍射损耗；2）较易安装调整；3）模体积很大；4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；长半径球面腔长半径球面腔半球型谐振腔半球型谐振腔

26、半球型谐振腔主要应用于低功率氦氖激光器半球型谐振腔的特点：半球型谐振腔的特点：易于安装调整、衍射损耗低、成本低 半球型谐振腔半球型谐振腔平凹稳定腔示意图平凹稳定腔示意图 平凹稳定腔一般应用与连续激光器；大多数情况下:R1 2L平凹稳定腔的特点：平凹稳定腔的特点：模体积较大 且具有价格优势平凹稳定腔平凹稳定腔连续高功率二氧化碳激光器的非稳定谐振腔非稳定腔非稳定腔光腔的损耗光腔的损耗1.几何损耗几何损耗 2.衍射损耗衍射损耗 3.腔镜反射不完全引起的损耗腔镜反射不完全引起的损耗 4.非激活吸收散射等其他损耗非激活吸收散射等其他损耗选择性损耗，与横模有关选择性损耗，与横模有关非选择性损耗，与光非选择

27、性损耗，与光波模式无关波模式无关损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，在激光振荡中，光损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，在激光振荡中，光腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量，也是腔模理论腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量，也是腔模理论的重要研究课题的重要研究课题.光学谐振腔的损耗光学谐振腔的损耗（1）几何损耗：）几何损耗：光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去而引起损耗。偏折出去而引起损耗。决定其大小的因素：腔的类型和几何尺寸；决定其大小的因素：腔的类型和几何尺寸；（2）衍射损耗：）衍射损耗：腔镜边缘、插入光学元件的边缘、孔径及腔镜边缘

28、、插入光学元件的边缘、孔径及 光阑的衍射效应产生的损耗。光阑的衍射效应产生的损耗。决定其大小的因素：腔的菲涅耳数有关、腔的几何参数决定其大小的因素：腔的菲涅耳数有关、腔的几何参数有关、横模的阶数有关。有关、横模的阶数有关。(模的阶次越高，衍射损耗越大，基模的衍射损耗最小模的阶次越高，衍射损耗越大，基模的衍射损耗最小)。例子：例子：YAGYAG激光器的腔体结构图激光器的腔体结构图氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布s3p2s2s1Nes3s12s32Hep2p3碰632.8nm共振转移共振转移四、激光模式的选择四、激光模式的选择IxyITEM00IyIxTEM10yIIxTEM11谐振腔内工作物质折射率n，腔长l驻波条件：nql2nlcqvq2nlcvq2小结：形成稳定激光振荡的条件小结：形成稳定激光振荡的条件v 激光工作物质激光工作物质：有提供放大作用的增益介质作激光工作物质有提供放大作用的增益介质作激光工作物质；v 粒子数反转粒子数反转：外界激励源作用使上下能级之间产生集居数反转；外界激励源作用使上下能级之间产生集居数反转；（形成激光的内部条件）（形成激光的内部条件）v 激光谐振腔激光谐振腔：使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。（形成激光的外部条件）（形成激光的外部条件）