Transcript 激光原理

激光原理
激光原理
内容概要
第一章：概述激光器基本原理
第二章：开放式光谐振腔理论 与高斯光束
第四章：阐明光和物质相互作用的基本物理过程
第五章、第六章：激光振荡和放大理论
第七章：介绍控制和改善激光器特性的基本技术
第九章：介绍典型激光器的工作原理及特性
目标
对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识；
建立正确的基本概念；
掌握一定的有关激光器技术方面的知识。
激光原理 . 绪论
绪
一、激光的特性
1. 方向性好
论
2. 单色性好
激光原理 . 绪论
激光原理 . 绪论
3. 能量集中
空间高度集中：亮度比太阳表面高 1010 倍。
时间高度集中：功率峰值为 1012 瓦。
4. 相干性好
二、激光的应用
1. 工业应用
精密测量(距离、位移)
激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻)
光谱分析
2. 医学应用
眼科
普通外科
牙科
皮肤科
激光原理 . 绪论
激光原理 . 绪论
3. 军事应用
激光测距
激光制导
激光侦察
大气激光通信
激光原理 . 绪论
激光武器
激光原理 . 绪论
4. 日常应用
激光打印机
激光防伪
CD/VCD
电脑光驱
激光霓虹灯
条形码扫描器
激光原理 . 绪论
激光原理 . 绪论
5. 通信领域的应用
（1）空间激光通信
激光原理 . 绪论
（2）光纤通信
光纤的优越性： •
•
•
•
光纤通信用光源：
宽带
不受电磁干扰
重量轻
低损耗
短距离通信用0.85um；
长距离通信用1.31um，1.55um
光纤放大器： 1.55um波段的掺铒光纤放大器（EDFA）；
1.31um的掺镨光纤放大器（PDFA）；
1.27～1.67um全光波段的拉曼放大器（RFA）
1480nm和980nm波长的半导体激光器是EDFA的泵浦光源
三、激光技术发展史
激光原理 . 绪论
1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了
原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;
2. 20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；
激光器方案的提出；
3. 1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；
4.1960年至今：激光技术飞速发展。
四、 Laser －“激光”
Laser
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation
“通过受激辐射实现光放大”
激光原理 . 绪论
五、激光器种类
根据工作物质
固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃
气体激光器 ：He—Ne，CO2，离子激光器
液体激光器 ：染料激光器
半导体激光器
激光原理 . 第一章
第一章
激光的基本原理
§1.1 相干性的光子描述
光波模式、光子状态、相格、相干体积
一、光波模式与光子态
波动说－电磁理论 －波动属性： 光波模式
光的波粒二象性
微粒说－光子理论 －粒子属性： 光子态
激光原理 . 第一章
1. 光波模式（用波动观点求光波模式数）
波矢：
k  kn0
k  2 / 
n0 ：波的传播方向
一个波矢对应两个光波模式
激光原理 . 第一章
自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在；
有限空间V内：存在具有特定波矢的单色平面驻波。
y

x
/2
V  xyz

x  m  
2


y  n   驻波条件
2
 
z  q  
2 
m、n、q为正整数
k  2 / 
2 
kx 
 

2 
ky 

 
2 
kz 
 
激光原理 . 第一章


m
kx 
x



n
 ky 
y



q
 kz 
z


x  m  
2


y  n  
2
 
z  q   每组m、n、q对应一种光波模式
2 
（含两个偏振态）
相邻模间隔：k x 

x
, k y 

y
, k z 
激光原理 . 第一章

z
kz
波矢空间中每个光波模式所占体积：
k x k y kz 
第一象限中 k
3
xyz

k
3
ky
V
 k  dk 区间体积：
1
1 2
2
 4 k dk   k dk
8
2
此体积内光波模式数：
1 2
 3 k 2dk
 k dk

V
2
2
V
2
2 2
2 d
k

dk 

c
c
kx
V体积空腔内，
频率     d内
光波模式数：
8 d
M
V
3
c
2
激光原理 . 第一章
2. 光子（状）态：
相空间： x，y，z，p x，p y，pz
空间坐标
动量
相空间内一点表示质点的一个运动状态。
测不准关系： xyzpx p y pz
h
3
相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。
结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分，
它们属于同一光子态。
xyzpx py pz  h3
h
P
k
2
结论2：一个光波模式
k x k y kz 
3
xyz
 一个光子态。

3
V
激光原理 . 第一章
二、光子的相干性
相干光波：频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。
相干长度：沿传播方向的相干长度。
空间相干性 相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。
相干体积：空间体积 Vc 内各点的光波场都具有明显
的相干性，则 Vc 为相干体积。
Vc  Ac  Lc
激光原理 . 第一章
相干时间：光沿传播方向通过相干长度 Lc 所需的时间。
 c  Lc c
I ( )
I
I

2
0

1
c 

c
Lc 

单色性越好，相干性就越好
激光原理 . 第一章
由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：
x
S1
x
Lx

z
S2
R
S1、S2 两光波场具有明显相干性的条件：
xLx

R
Lx
 
R
 x 
2
  






2
光源的相干面积
激光原理 . 第一章
光源的相干体积：
c3
   c
Vc  Ac  Lc  
 3

2







(


)


h
h
2
P
c
n0，
P 
c
h

 Px  P   c 

h


 Py  P  
c

h

 Pz  P  c 

h3 3  (  )2
Px Py Pz 
3
c
c3
xyz  2
 Vc
2
  (  )
结论3：相格的空间体积
 相干体积。
激光原理 . 第一章
结论：
相格空间体积

一个光波模式所占空间体积
 同一光子态所占空间体积  相干体积
三、光子简并度 n
处于同一相格中的光子数，
处于同一模式中的光子数，
处于相干体积内的光子数，
处于同一光子态的光子数。
决定了相干光强，反映光源的单色亮度。
§1.2 光的受激辐射基本概念
激光原理 . 第一章
一、光的受激辐射概念的产生
普朗克——1900年，辐射量子化假设；
波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。
1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长
的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
激光原理 . 第一章
热平衡状态：
黑体吸收的辐射能量
单色能量密度 ： 
 黑体发出的辐射能量
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
热平衡状态下，黑体辐射分配 E 
到腔内每个模式上的平均能量
h
e
h
KT
1
3
M
8

腔内单位体积中频率处于 附近
n



单位频率间隔内的光波模式数
Vd
c3
8 h

黑体辐射Planck公式：   n  E 
3
c
3
1
e
h
KT
1
激光原理 . 第一章
2. 跃迁：
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。
吸收跃迁： 低
辐射跃迁： 高
（自发辐射）
吸收能量
辐射能量
高
低
h  E1  E2
激光原理 . 第一章
3. 受激辐射：
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，
黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达
到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h  E2  E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程
为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、
振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：
A21 
A21
1
S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
激光原理 . 第一章
2. 受激吸收
E2
h
E1
吸收后
吸收前
h  E2  E1
受激吸收跃迁几率：
W12  B12 
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B12
：受激吸收跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
激光原理 . 第一章
3. 受激辐射
E2
h
h
h
E1
发光前
发光后
h  E2  E1
当外来光子的频率满足 h  E2  E1时，使原子中处于高
能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射跃迁几率：
W21  B21 
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B21 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程
激光原理 . 第一章
三、爱因斯坦三系数 A21、B21、B12 的相互关系
热平衡状态：
辐射率

吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
n2 A21  n2 B21   n1 B12 
n1、n2、n3 ——各能级上的原子数密度（集居数密度）
玻尔兹曼统计分布：
n2 f 2
 e
n1
f1
( E2  E1 )

KT
f1、f 2 ——能级 E1 和 E2的简并度，
或称统计权重
激光原理 . 第一章
A21 / B21
 ( , T ) 
h
B12 f1 KT 1
e
B21 f 2
与Planck公式比较
8 h 3
 

3
c
 A21 8 h

 n h f  f

3
1
2
c
 B21

B12 f1  B21 f 2

3
1
e
h
KT
1


B12  B21

 W12  W21

3
8

h

 A21 
B21
3

c
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故
正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3
3. 自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。
四、受激辐射的相干性
自发辐射：相互独立、互不相关。 不相干
受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的
外来光子具有相同的特征（频率、相
位、振动方向及传播方向均相同）。
受激辐射光子与入射光子属同一光子态。
相干光
总结
激光原理 . 第一章
掌握：
激光特性
光波模式、光子状态、相格、相干体积
概念及相互关系
光子简并度概念
自发辐射、受激吸收、受激辐射
含义、特点、相互区别、相互关系
爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论
受激辐射的相干性
激光原理 . 第一章
理解：
光波模式数、光子状态、相格空间体积、相干体积
相互关系的推导过程
黑体辐射的Planck公式
玻尔兹曼统计分布
爱因斯坦三系数的相互关系的推导过程
了解：
激光的应用
受激辐射概念的产生