光電子技術(shù)激光原理

光電子技術(shù)激光原理第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日一、光子的基本性質(zhì)一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、光子的能量：2、光子的質(zhì)量：3、光子的動量：4、光子有兩個獨(dú)立的偏振態(tài)。1.4激光原理5、光子有自旋，且自旋量子數(shù)為整數(shù)，大量光子的集合服從玻色——愛因斯坦分布。第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日二、光的相干性的分類（1）時間相干性：波場中同一點(diǎn)不同時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。描述時間相干性的等效物理量：①相干時間：②相干長度：③譜線寬度：（2）空間相干性：波場中不同點(diǎn)在同一時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨(dú)立性。第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收愛因斯坦在光量子理論的基礎(chǔ)上，考慮了光和物質(zhì)相互作用的模型(原子的兩個能級)，引入了兩個重要概念，同樣得出了普朗克公式光的自發(fā)輻射在沒有外界作用的情況下，原子從高能級E2向低能級E1的躍遷方式有兩種：無輻射躍遷和自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射光輻射出的光子能量：第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收光的受激吸收受激吸收躍遷示意圖入射光當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來的能量為的光子作用下，如果，則處于低能級上的原子由于吸收一個能量為的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級上去的過程。第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收受激輻射躍遷示意圖入射光受激輻射光光的受激輻射光的受激輻射：當(dāng)原子受外來的能量為的光子激勵下，從高能級躍遷到低能級，原子發(fā)射一個與外來光子同頻率光子的過程。入射光第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別受激輻射光是相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。量子電動力學(xué)的解釋①受激輻射是在外界輻射的控制下產(chǎn)生的，受激輻射光子與激勵的入射光子是同一光子態(tài)的，具有相同的頻率、相位、波矢、偏振態(tài)。大量原子在同一輻射場激發(fā)下產(chǎn)生同一光子態(tài)或同一光波模式的光子，因而是相干的。②自發(fā)輻射不受外界輻射場的影響，是自發(fā)的，大量原子的自發(fā)輻射光子具有各自不同的頻率、相位、波矢、偏振態(tài)，呈無規(guī)則、隨幾的分布。自發(fā)輻射光平均地分配到腔內(nèi)所有的模式上，而不屬于同一光子態(tài)或同一光波模式，因而是非相干的。第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別原子受激輻射的光與外來的引起受激輻射的光有相同的頻率、位相、偏振及傳播方向。第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的受激輻射的特點(diǎn)通過受激輻射，可以實(shí)現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大從而得到光子簡并度極高的相干光。激光器發(fā)光，正是利用受激輻射的上述特點(diǎn)。第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的受激輻射放大稱為激光有一束能量為的入射光子通過激活物質(zhì)，光的受激輻射過程超過受激吸收過程，受激輻射占主導(dǎo)地位，光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。LASER：LightAmplificationbyStimulated

EmissionofRadiation第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日激光的產(chǎn)生當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收這三個過程是同時出現(xiàn)的，如何實(shí)現(xiàn)大量原子的受激輻射產(chǎn)生激光?第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布)在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，各能級上的原子數(shù)服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布ni=C*exp(-Ei/kT)

處于熱平衡狀態(tài)下個能級的粒子數(shù)分布示意圖激光產(chǎn)生必須具備的前提條件第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日集居數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)激光的必要條件由玻耳茲曼方程得到：正常粒子狀態(tài)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)對比示意圖正常粒子狀態(tài)下光的吸收總是大于光的受激輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)g為對應(yīng)能級簡并度第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日選取能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在一般情況下，大量原子處于基態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的時間很短，約為，不穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)要穩(wěn)定得多，如：具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，就能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日實(shí)現(xiàn)光放大的必要條件——進(jìn)行泵浦使工作物質(zhì)處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)1、集居數(shù)：各能級上的原子數(shù)。2、要產(chǎn)生受激輻射的光放大，必須使相同時間內(nèi)的受激輻射光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù)。即：3、熱平衡狀態(tài)下無法實(shí)現(xiàn)受激輻射的光放大4、集居數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)向物質(zhì)提供能量，即進(jìn)行泵浦(或激勵)，打破熱平衡！第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日泵浦(或抽運(yùn))的方法光泵浦放電泵浦化學(xué)反應(yīng)泵浦重粒子泵浦離子輻射泵浦第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的自激振蕩說明：光放大與光的自激振蕩既不同，又有聯(lián)系。一、自激振蕩的概念激活介質(zhì)中增益和損耗兩種過程的共同作用與激光振蕩的建立、激光功率以及激光脈寬等的變化規(guī)律等方面密切相關(guān)。第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日1、損耗系數(shù)：光通過單位距離后光強(qiáng)衰減的百分比。2、同時考慮增益和損耗以后3、自激振蕩過程的建立弱光強(qiáng)I0進(jìn)入一無限長光放大器,開始時I(z)按小信號放大規(guī)律按增長。然后,由于增益飽和效應(yīng)，I(z)的增長速率會變慢，最后，當(dāng)時，I(z)不再增長并達(dá)到一穩(wěn)態(tài)值Im。由得:第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日說明：可見,Im只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)而與初始光強(qiáng)I0無關(guān)。特別是，不管初始I0多么弱，只要放大器足夠長，就總能形成確定大小的光強(qiáng)Im。這即是自激振蕩的概念。這就表明，當(dāng)激光放大器的長度足夠大時,它可能成為一個自激振蕩器。實(shí)際情況下，使激光放大器足夠長是不現(xiàn)實(shí)的！光諧振腔⑴定義：只要在有一定長度的光放大器兩端放置兩個反射鏡形成光諧振腔。這樣，軸向光波模就能在反射鏡間往返傳播。就等效于增加放大器長度。光諧振腔的這種作用也稱為光的反饋。第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日光的自激振蕩和激光諧振腔光的自激振蕩：光在增益介質(zhì)內(nèi)傳播放大，總存在各種各樣的光損耗，當(dāng)增益和損耗達(dá)到平衡時光強(qiáng)不再增加并達(dá)到一個穩(wěn)定的極限值。只要激光放大器的長度足夠大，就可能成為一個自激振蕩器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的激光振蕩。實(shí)際的激光振蕩器是將具有一定長度的光學(xué)放大器放置在由兩塊鍍有高反射率的反射鏡所構(gòu)成的光學(xué)諧振腔內(nèi)。第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日激光產(chǎn)生的三個前提條件有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子(原子、分子或離子)有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；有外界激勵源，使激光上下能級之間產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)；有激光諧振腔，使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日光學(xué)諧振腔的構(gòu)成光學(xué)諧振腔的構(gòu)成最簡單的光學(xué)諧振腔是在激活介質(zhì)兩端恰當(dāng)?shù)胤胖脙蓚€鍍有高反射率的反射鏡構(gòu)成。常用的基本概念：光軸：光學(xué)諧振腔中間垂直與鏡面的軸線孔徑：光學(xué)諧振腔中起著限制光束大小、形狀的元件，大多數(shù)情況下，孔徑是激活物質(zhì)的兩個端面，但一些激光器中會另外放置元件以限制光束為理想的形狀。第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日光學(xué)諧振腔的種類諧振腔的開放程度，閉腔、開腔、氣