激光基本原理PPT課件

1、光電子技術Photoelectronic Technique 1.3 激光基本原理主講：周自剛 助教：范宗學1、光子的基本性質一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、能量：2、質量：3、動量： 光子，是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子（傳遞基本相互作用的媒介粒子，自旋都為整數(shù)）。原始稱呼是光量子（light quantum)，電磁輻射的量子，傳遞電磁相互作用的規(guī)范粒子，記為。4、兩個獨立的偏振態(tài)1、光子的基本性質一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！5、有自旋，量子數(shù)為整數(shù)，大量光子的集合服從玻色愛因斯坦分布對單光子自旋和軌道角動量的量子隱形傳態(tài)過程的圖片展示 中國科學技術大學潘

2、建偉研究小組在國際上首次成功實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。2月26日，國際權威學術期刊自然雜志以封面標題的形式發(fā)表了這一最新研究成果。二、光的粒子性和波動性的統(tǒng)一：量子電動力學的理論，將電磁場量子化1、電磁場的本征模式：具有基元能量 和基元動量 的物質單元即屬同一本征模式的光子2、具有相同動量和相同能量的光子彼此不可區(qū)分，屬同一模式（狀態(tài)）3、處于同一模式或狀態(tài)的腔內光子數(shù)目是沒有限制的4、任意電磁場可以看作一系列單色平面波或本征模式的線性疊加三、光波模式波動性1、麥氏方程的解特解：單色平面波通解：一系列單色平面波的疊加2、自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可以存在!3、受邊界條件限制空

3、間的電磁波：一系列獨立的具有特定波矢 的平面單色駐波。即只允許駐波光模式存在！4、光波模式：能存在于腔內的以波矢 為標志的電磁波模式。同一 又由于對應兩個獨立的偏振態(tài)，則同一波矢 對應兩個不同偏振方向的光波模式。5、體積為V 的空腔中的光波模式數(shù)（1）設：在x、y、z三方向應用駐波條件得：又因為：則 的三個分量滿足：（2）光波模式的波矢空間表示波矢空間：以kx、ky、kz為直角坐標系構成的空間每一個光波模式對應該空間的一個點每個光模在波矢空間所占體積為處于空腔單位體積內，頻率位于 附近單位頻率間隔的光波模式數(shù)（光波模密度）為 在頻率很高的光頻波段，由于E1時，N2N1。表明在熱平衡狀態(tài)下高能級

4、上的粒子數(shù)布居總是小于低能級，且兩者的比例取決于體系的溫度。一般地，在熱平衡狀態(tài)下，幾乎所有的原子都處于最低能態(tài)基態(tài)。 兩個能級E1與E2上的粒子數(shù)布居之比： 在熱平衡狀態(tài)下氣體原子體系的粒子數(shù)布居滿足玻耳茲曼分布律：T：熱平衡溫度； Nn：能級En上的粒子數(shù)布居； k：玻耳茲曼常數(shù)。(1) 自發(fā)輻射 處于高能級上的原子，總是會自發(fā)地躍遷到低能級上，伴隨輻射出一個頻率為n 的光子，稱為光的自發(fā)輻射。3.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收說明：自發(fā)輻射是個隨機過程，處于高能級的各個原子隨時地、獨立地向低能級自發(fā)躍遷，所發(fā)射的光子形成一個個相位、偏振態(tài)和傳播方向均彼此無關的波列，因而是非相干的。 自

5、發(fā)輻射光子的能量和頻率分別滿足： 處于低能級上的原子，受到頻率為n的入射光照射時，有可能吸收一個光子的能量而躍遷到相應的高能級上，稱為光的受激吸收，且有 (2) 受激吸收3.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收處于E2能級上的原子，在受到頻率n 正好滿足hn=E2-E1的入射光子的作用時，有可能自所處E2能級躍遷到E1能級，并輻射一個同頻率的光子。 說明： 與自發(fā)輻射不同，受激輻射光子與入射光子具有相同的模式，即 同頻率、同相位、同偏振態(tài)，因而是相干的。 受激輻射與受激吸收互為逆過程，兩者同時發(fā)生，同時存在。 (3) 受激輻射3.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射過程：原子體系單位時間內從能

6、級E2躍遷到能級E1的粒子總數(shù)只與E2上的粒子數(shù)布居N2成正比，與輻射場無關，即 受激輻射過程：原子體系單位時間內從始態(tài)到終態(tài)躍遷的粒子數(shù)，除了與始態(tài)上的粒子數(shù)布居有關外，還與能量等于兩能級差的入射光子數(shù)密度u(n)（輻射能譜密度）成正比，即 A21、B12、B21：愛因斯坦系數(shù)3.3 愛因斯坦公式 按照愛因斯坦的觀點，在熱平衡狀態(tài)下，原子體系在單位時間內受激吸收的光子數(shù)應等于自發(fā)輻射和受激輻射的光子數(shù)總和。即 由玻耳茲曼分布律得： 3.3 愛因斯坦公式比較兩式可得愛因斯坦公式： 說明：愛因斯坦公式為激光的發(fā)明奠定了理論基礎 由普朗克量子輻射公式可以證明： 3.3 愛因斯坦公式 當頻率為n 的

7、光波通過具有能級差E2-E1=hn 的介質時，將同時發(fā)生受激吸收和受激輻射。按愛因斯坦公式，dt時間內，介質單位體積受激吸收的光子數(shù)dN12與受激輻射的光子數(shù)dN21之比為 熱平衡狀態(tài)下：N2N1，dN21N1，dN21dN12。即高能態(tài)的粒子數(shù)布居大于低能態(tài)。意義：光波在處于粒子數(shù)布居反轉分布的介質中傳播時，介質受激輻射的光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù)，宏觀效果表現(xiàn)為光放大或光增益。 實現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉分布是產(chǎn)生激光的必要條件 能夠造成粒子數(shù)布居反轉分布的介質稱為激光介質或增益介質 3.4 粒子數(shù)布居反轉與光放大能級壽命t ：粒子能夠在某個能級上停留的平均時間。 由于自發(fā)輻射，能級E2上的粒子數(shù)

8、N2將隨時間減少，在dt內的改變量： 意義：E2上粒子數(shù)N2的減少量與自發(fā)輻射幾率系數(shù)A21的大小有關，經(jīng)過t=1/A21時間后，將減少到初始值的1/e。所謂能級壽命實際上就是指在該能級上的粒子數(shù)減少到初始值的1/e所經(jīng)歷的時間。 3.5 能級壽命說明：若在能級E2以下有若干個低能級，則能級E2的壽命應等于該能級到各個低能級自發(fā)輻射幾率系數(shù)之和的倒數(shù)，即 結論：自發(fā)輻射系數(shù)越小，自發(fā)輻射的過程就越慢，粒子數(shù)在該能級的壽命就越長，原子處在該狀態(tài)就越穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)：壽命特別長的激發(fā)態(tài)，可達10-31s。因原子的碰撞和外界干擾，能級的實際壽命要比其自然壽命短幾個數(shù)量級。 3.5 能級壽命3.6 激光器

9、的基本結構實現(xiàn)激光發(fā)射的兩個必備條件：受激輻射的產(chǎn)生和放大。激光器：能夠實現(xiàn)受激輻射產(chǎn)生和放大的器件或裝置。激光振蕩器：具有一個光學諧振腔，由受激輻射產(chǎn)生的光在腔內多次往返而形成持續(xù)的激光振蕩。激光放大器：自身不具有光學諧振腔，只能使來自其他激光器輸出的激光信號通過增益介質而獲得單次或有限次的行波式放大。說明：通常的激光器，一般指激光振蕩器，在某些情況下則是指由激光振蕩器和放大器組成的組合系統(tǒng)。增益介質 激勵源 光學諧振腔說明：僅有激勵源、增益介質和光學諧振腔還不一定能輸出激光。只有使受激輻射的增益大于其損耗，才能使受激輻射在諧振腔內來回反射時，強度不斷增大，最后輸出激光。 激光器的基本結構激

10、勵源光學諧振腔增益介質激光輸出激光振蕩器的主要組成：3.6 激光器的基本結構增益介質：激光器中產(chǎn)生受激輻射的物質（又稱激活介質，可以是氣體、液體、固體或半導體等）。增益介質的作用：激光器的核心放大入射光增益介質條件：有一對能夠產(chǎn)生激光的能級，并且高能級應有足夠長的壽命，使得被激發(fā)到該能級上的粒子能滯留較長時間，與低能級之間形成粒子數(shù)布居的反轉分布。(1) 增益介質3.6 激光器的基本結構激勵源的作用：供給增益介質能量，以使其中處于基態(tài)的粒子獲得一定能量后被抽運到高能態(tài)，形成兩個能級上的粒子數(shù)布居反轉。 說明：激勵過程常被形象化地稱為泵浦或抽運過程。為了不斷地得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”增益

11、介質以維持其粒子數(shù)布居的反轉分布。 常用激勵方式：電泵浦、光泵浦、熱泵浦、化學泵浦等。 電激勵：用氣體放電的方法獲得具有一定動能的電子，再由其進一步激發(fā)介質原子。 光激勵：用強光照射增益介質（常用光激勵源：脈沖氙燈、脈沖激光器、半導體激光器等）。(2) 激勵源3.6 激光器的基本結構光學諧振腔：裝上在增益介質兩端的一對反射率很高的反射鏡，結構相當于一個法布里-珀羅標準具。其中一個為全反射鏡，反射率接近100%；另一個為部分反射鏡，反射率約80%左右。 (3) 光學諧振腔光學諧振腔的作用： 實現(xiàn)光的正反饋 對輸出光束的波長進行選擇高度單色性 使輸出光束的定向高度方向性3.6 激光器的基本結構光學

12、諧振腔對激光束方向的選擇當增益介質產(chǎn)生的受激輻射到達兩端的反射鏡面時，將被再次反射回增益介質，從而繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射。被進一步放大的受激輻射在諧振腔中來回振蕩，同時不斷地誘發(fā)新的受激輻射，使之雪崩似地獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，并從部分反射鏡一端輸出。 工作原理：3.6 激光器的基本結構二能級系統(tǒng)3.7 激光介質中粒子數(shù)布居反轉的實現(xiàn)由于B12=B21，最終只能達到兩個能級的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，不能實現(xiàn)兩個能級之間的粒子數(shù)布居反轉。3.7 激光介質中粒子數(shù)布居反轉的實現(xiàn)抽運E3E1hn激勵E2無輻射躍遷B21B12A21三能級系統(tǒng)粒子被從基態(tài)E1抽運到激發(fā)態(tài)E3，然后從E3態(tài)無輻射躍遷

13、到亞穩(wěn)態(tài)E2。隨著E1上的粒子數(shù)不斷減少，E2上的粒子數(shù)N2不斷增多。當N2N1時，實現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉。 四能級系統(tǒng)粒子被從基態(tài)E0抽運到激發(fā)態(tài)E3，然后通過無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2。當E1為非穩(wěn)態(tài)能級時，粒子經(jīng)受激輻射從E2能級躍遷到E1能級后，會很快通過無輻射躍遷回到基態(tài)，極易實現(xiàn)E2和E1之間粒子數(shù)布居反轉。 3.7 激光介質中粒子數(shù)布居反轉的實現(xiàn)E0抽運E3E1hn激勵E2無輻射躍遷B21B12A213.8 增益系數(shù)及閾值條件 光束在諧振腔內往返一次后的強度： 設激光器的增益系數(shù)為G，諧振腔腔長為L，兩個反射鏡的強度反射率分別為R1、R2 ，光束的初始強度（z=0處）為I0 。增益介質中

14、z處的光強度的增量： 增益介質中z處的光強度： 即 增益要求： 產(chǎn)生激光的閾值條件（諧振腔必須達到的最小增益）： 說明：由于各種因素的影響，激光器實際輸出的激光并不是理想單色的，而是具有一定的頻率寬度。通常給出的激光頻率只表示增益介質粒子自高能級向低能級躍遷時產(chǎn)生輻射的中心頻率。3.9 輻射線寬 輻射線寬：激光輻射的光譜范圍寬度。頻率增寬類型：自然增寬，碰撞增寬，多普勒增寬。 (2) 碰撞增寬 增益介質中的粒子在激發(fā)態(tài)能級的壽命t 決定了自發(fā)輻射過程持續(xù)的時間，有限的輻射波列長度意味著該輻射不再是理想的單色輻射，而是具有一定的頻率展寬。說明：能級E2為亞穩(wěn)態(tài)時，t 10-3s，故Dn為kHz數(shù)

15、量級或更小。 增益介質中粒子間距離較小時，粒子間可能發(fā)生碰撞。碰撞可加速激發(fā)態(tài)粒子向低能級的躍遷，從而縮短能級的壽命，導致譜線進一步加寬。自然線寬大小：說明：對于氣體介質，壓強較大時粒子碰撞的幾率增大，因而碰撞增寬的幾率也增大。 (1) 自然增寬3.9 輻射線寬 對于氣體介質，由于粒子的熱運動，其輻射將因多普勒效應而發(fā)生頻移。其中當粒子向著探測器運動時，其輻射頻率將比靜止時增大，反之則減少。說明：(3) 多普勒增寬增益介質的輻射線寬往往是幾種增寬的綜合。但對于不同的增益介質和工作條件，各種增寬的貢獻不同。如對于氦-氖激光器的623.8nm譜線，在室溫和約200Pa壓強下，碰撞增寬遠大于自然線寬

16、，而多普勒增寬又比碰撞增寬大一個數(shù)量級。因此，多普勒增寬起主要作用。 3.9 輻射線寬 光波在光學諧振腔內形成穩(wěn)定振蕩的條件：滿足相長干涉條件，形成駐波。 (1) 縱模 縱模：光場沿諧振腔縱向傳播的不同振動模式不同頻率的駐波。 ， j=1, 2, 3, L: 為腔長；n：激活介質的折射率；j：腔內的波腹數(shù)。3.10 激光的縱模和橫模 諧振腔滿足駐波條件的頻率成分：縱模間隔： 激光的縱模n0-n/2nn/2nL說明：由駐波條件確定的頻率只是諧振腔允許的諧振頻率，其中只有落在增益介質輻射線寬內，并同時滿足閾值條件的那些諧振頻率，才能形成穩(wěn)定的激光。激光器輸出的頻率個數(shù)（縱模數(shù)）： 3.10 激光的縱模和橫模 橫模：諧振腔內光場沿橫向的穩(wěn)定分布。意義：激光束在腔內往返一個來回后能夠再現(xiàn)其自身的一種光場分布狀態(tài)，一般用TEMmn