第一講激光原理

參考書(shū):《固體激光工程》（solid-statelaserengineering）W.克希耐爾著《超快激光》張志剛現(xiàn)代激光技術(shù)第一講激光技術(shù)基礎(chǔ)及其前沿1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是Laser（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation），它包含了激光產(chǎn)生的由來(lái)。它一出現(xiàn)就創(chuàng)造了許多奇跡，真可謂“一鳴驚人”。二十世紀(jì)四大發(fā)明：半導(dǎo)體；原子能；計(jì)算機(jī)；激光梅曼發(fā)表在《nature》原文重要的歷史進(jìn)程1917年愛(ài)因斯坦提出了受激輻射理論1958年肖洛和湯斯發(fā)表了《紅外線和光的微波激射器》1960年梅曼制成了世界上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器與激光有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——光學(xué)精密計(jì)量和光譜學(xué)研究1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——能量級(jí)的發(fā)現(xiàn)1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——原子結(jié)構(gòu)和原子光譜1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——基本電荷和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——電子的波動(dòng)性1961年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——核子結(jié)構(gòu)和穆斯堡爾效應(yīng)1963年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——原子核理論和對(duì)稱性原理以上的是激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——微波激射器和激光器的發(fā)明1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——激光全息術(shù)的發(fā)明1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——激光光譜學(xué)與電子能譜學(xué)1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——激光冷卻和陷俘原子2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——光頻率梳2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——光纖通訊1、激光產(chǎn)生理論及基本概念1917年《按照量子論輻射的發(fā)射和吸收》，《關(guān)于輻射的量子理論》強(qiáng)調(diào)光的物質(zhì)性；用量子觀點(diǎn)預(yù)言受激輻射的存在和光放大的可能性。

愛(ài)因斯坦受激輻射理論：一、激光的產(chǎn)生和性質(zhì)

入射光受激輻射光原子受激輻射示意圖自發(fā)吸收：電子通過(guò)吸收光子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)(圖a)。自發(fā)輻射：電子自發(fā)地通過(guò)釋放光子從高能態(tài)躍遷到較低能態(tài)(圖b)。受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和位相，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能態(tài)的能量差。(圖c)。

吸收自發(fā)輻射受激輻射激光產(chǎn)生原理

光譜線型函數(shù)與譜線加寬機(jī)制A.光譜線型函數(shù)g（f，f0）

自發(fā)輻射頻率為，但自發(fā)輻射譜線并不是一條理想的無(wú)限窄線，而是有一定的寬度，這種現(xiàn)象稱為譜線加寬。它使自發(fā)輻射功率不是集中在一個(gè)光波頻率上，而是分布在一個(gè)頻帶之內(nèi)。

1.自發(fā)輻射總功率2.歸一化線型函數(shù)光譜線的線型函數(shù)及等效線型函數(shù)B.光譜線的加寬機(jī)制

均勻：自然加寬、碰撞加寬（洛倫茲線型）

非均勻：多普勒加寬（高斯線型）

1.自然加寬:

粒子在工作能級(jí)上的壽命越短，自然加寬也越嚴(yán)重。

2.碰撞加寬：粒子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，粒子間發(fā)生了碰撞。

吸收截面吸收系數(shù)吸收截面和吸收系數(shù)關(guān)系2.發(fā)射截面小信號(hào)增益光放大關(guān)系發(fā)射截面1.三能級(jí)系統(tǒng)速率方程組(以紅寶石激光器為例)原子能級(jí)系統(tǒng)：反映能級(jí)的粒子數(shù)變化以及光放大1331AS3132SA2121S1221WWW21EE3E2.四能級(jí)系統(tǒng)速率方程組(Nd:YAG,He-Ne激光器)四能級(jí)系統(tǒng)的激光工作物質(zhì)的能級(jí)簡(jiǎn)圖E110S0330AS3032SA2121S1221WWW20EE3E振蕩速率方程組四能級(jí)系統(tǒng)的速率方程組高方向性2、激光的特性高亮度高相干性單色性α光束發(fā)散角=2α探照燈：35毫弧度≈1度HeNe激光：0.3毫弧度sr激光的高方向性激光的高強(qiáng)度和高亮度一臺(tái)普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽(yáng)亮度高8個(gè)數(shù)量級(jí)(幾千萬(wàn)倍）強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。激光打孔、切割等機(jī)械加工

相干性強(qiáng)時(shí)間相干性同一光源不同時(shí)間發(fā)出的光波的相干性,縱向相干性

Δτ=L/c;L=λ2/Δλ;空間相干性同一光源不同空間點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性，橫向相干性

二、激光器激光器的發(fā)明

激光器的結(jié)構(gòu)

激光器的種類

1、激光器的發(fā)明1954年美國(guó)物理學(xué)家湯斯研制成功波長(zhǎng)為1.25厘米的氨分子振蕩器——受激輻射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）肖洛提出創(chuàng)造性設(shè)想——光腔代替微波共振腔梅曼成功研制出第一臺(tái)紅寶石激光器（1960年7月7日）向各個(gè)方向自發(fā)輻射的光子沿中心軸方向的輻射被受激放大光在工作物質(zhì)中反復(fù)傳播被放大激光器的組成：工作物質(zhì)泵輔源光諧振腔工作物質(zhì)聚光腔+M光諧振腔MM肖洛提出——光腔代替微波共振腔1960年7月7日：梅曼成功研制出第一臺(tái)紅寶石激光器輸出激光閃光燈反射鏡1紅寶石介質(zhì)

反射鏡22、激光器的結(jié)構(gòu)一臺(tái)激光器是由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔組成

工作物質(zhì)：工作物質(zhì)具有一定的能級(jí)結(jié)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。不同的激光器工作物質(zhì)不同。泵浦源：為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。諧振腔光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)：

在工作物質(zhì)的兩端安置兩面互相平行的反射鏡，其中一面是全反射鏡，另一面是部分反射鏡，這兩面反射鏡及它們之間的空間稱為光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔其作用：

（1）產(chǎn)生和維持光振蕩（2）確定激光方向（3）選頻（4）選偏振

光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，相干疊加，只有形成駐波的光才能振蕩激光的縱模和橫模一、縱模（振蕩頻率）k=1,2,3,…全反射鏡部分反射鏡振蕩縱?？v模間隔輻射線寬內(nèi)的縱模個(gè)數(shù)為vkvk+1vkN個(gè)縱模單模線寬輻射線寬vc波長(zhǎng)為輻射線寬(1)使激光按單模輸出，則其單色性由單模線寬決定。討論(2)若輸出光是多模的，其單色性和普通光源一樣由輻射線寬決定。條件頻率(MHz)T=300KP=1~2mmHg輻射線寬1300腔長(zhǎng)L=100cm縱模間隔150L=100cm反射率98%單模線寬<1氦氖激光器參數(shù)N個(gè)縱模vc二、橫模(光束橫截面上的光強(qiáng)的穩(wěn)定分布)激光束橫截面上幾種光斑圖形TEM02TEM14高斯光束及M2因子高斯光束特點(diǎn)：光強(qiáng)橫截面呈高斯分布，波前是球面，球心位置變化衡量光束質(zhì)量：M2因子

3、激光器的種類激光器的分類激勵(lì)方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長(zhǎng)輸出頻率特性工作物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃一般小而堅(jiān)固，脈沖輻射功率較高，應(yīng)用范圍較廣泛。如：Nd:YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁石榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。固體激光器中常用的釔鋁石榴石激光器，它的工作物質(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見(jiàn)的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。此外，釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對(duì)治療白內(nèi)障和青光眼十分有效。

（1）固體激光器常用固體激光器工作波段1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等（Nd:YAG)1540nm~2940nm:醫(yī)學(xué)和通信(Tm:YAG,Er:YAG)近年來(lái)，研制出摻鈦(Ti)藍(lán)寶石激光器(Ti:Sapphire,670nm~1100nm)固體激光器常用于產(chǎn)生強(qiáng)激光，連續(xù)輸出~幾千瓦(Nd:YAG),脈沖輸出~幾萬(wàn)焦耳(Nd:glass)

在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其他固體激光器作泵輔源。用摻鉺光纖作成的光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的部分。(2)摻鉺光纖激光器體積?。ㄖ挥谢鸩窈写笮。?、重量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種微型激光器，輸出波長(zhǎng)為人眼看不見(jiàn)的紅外線，在0.8～0.9微米之間。只要通以適當(dāng)強(qiáng)度的電流就有激光射出，再加上輸出波長(zhǎng)在紅外線光范圍內(nèi)，所以保密性特別強(qiáng)，很適合用在飛機(jī)、軍艦、坦克、車(chē)輛和宇宙飛船上使用。半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進(jìn)展迅速。整個(gè)器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小。用于：光通信，光盤(pán)，激光打印，光計(jì)算機(jī)，微量氣體探測(cè)等方面。(3)半導(dǎo)體激光器(4)氣體激光器

以氣體為工作物質(zhì)，單色性和相干性較好，激光波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千種，應(yīng)用廣泛。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、操作方便。在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、精密測(cè)量、全息技術(shù)等方面應(yīng)用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學(xué)能、光能、核能等多種激勵(lì)方式。氣體激光器分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長(zhǎng)激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機(jī)械加工方面，還用于測(cè)距，通信。準(zhǔn)分子激光器：特點(diǎn)—發(fā)光都在紫外波段。用途—多用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。原理—不是分子固有能級(jí)躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵(lì)時(shí)，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。(5)液體激光器主要是染料激光器。多為粉末狀染料溶于有機(jī)溶劑中，方可產(chǎn)生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。特點(diǎn)：從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長(zhǎng)(幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。（1）X射線激光器

X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射線波長(zhǎng)已達(dá)到4.483nm水窗范圍（因?yàn)樗俏誜射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個(gè)不吸收區(qū)，X射線可順利通過(guò)，損耗很小，故稱水窗），由于生物細(xì)胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長(zhǎng)的X射線激光用于生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，生命科學(xué)的研究。其它新型激光器（2）生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細(xì)胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底

一種研究活體生物細(xì)胞的手段和方法，將一含有被測(cè)細(xì)胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細(xì)胞置于激光共振腔中，當(dāng)激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細(xì)胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過(guò)這些信息的識(shí)別，由發(fā)射激光的脈沖形狀，模式，空間分布以及收集到的熒光圖象，就可知道細(xì)胞屬于那一類。是正常細(xì)胞還是癌細(xì)胞等。這種生物微腔激光器一般用波長(zhǎng)850納米的半導(dǎo)體激光器來(lái)制作。(3)納米激光器問(wèn)世據(jù)2001年美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在僅有頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器——納米激光器。研究人員希望用電流來(lái)激活納米激光器，這樣就可用于電路。最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤(pán)和光子計(jì)算機(jī)的信息儲(chǔ)存量。（4）隨機(jī)激光

利用激光介質(zhì)的強(qiáng)散射與反饋形成的激光激光在科技領(lǐng)域的應(yīng)用超快現(xiàn)象的研究超快現(xiàn)象：在微觀世界很多現(xiàn)象是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。如，熱原子與分子的碰撞時(shí)間僅為皮秒，甚至更短。（光在一皮秒內(nèi)僅移動(dòng)0.3毫米）固體，液體中的能量轉(zhuǎn)移；液體中的分子的快速化學(xué)反應(yīng)；生物的光合作用；DNA能量轉(zhuǎn)移;超高速光通信的光電轉(zhuǎn)移等等。為了研究微觀世界所發(fā)生的現(xiàn)象，就需要本身具有同樣時(shí)間尺度的工具。激光器發(fā)出的激光脈沖：皮秒；飛秒；阿秒。多普勒效應(yīng)：如果波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則觀察者接受到的波頻率不同于波源的頻率。速度越小頻率的偏移量也越小，就要求用于測(cè)量的光具有極高的頻率穩(wěn)定性。激光可以觀測(cè)每小時(shí)只有3毫米的超慢運(yùn)動(dòng)。如，觀測(cè)珊瑚的生長(zhǎng)，細(xì)胞的分裂等。超慢現(xiàn)象研究：頻率的偏移量正比于物體的運(yùn)動(dòng)速度。

光鉗技術(shù)

光的輻射壓力：(彗星的尾巴總是背向太陽(yáng)，被認(rèn)為是太陽(yáng)光的壓力造成的。

功率為毫瓦數(shù)量級(jí)的光，大約能產(chǎn)生皮牛量級(jí)的輻射壓力。拾起一顆小小的圖釘?shù)牧?，大約是幾百億皮牛)激光輻射產(chǎn)生的皮牛量級(jí)的力恰好適于移動(dòng)細(xì)胞和生物大分子。激光光鉗示意圖激光器聚焦鏡樣品池顯微鏡光鉗技術(shù)及激光手術(shù)當(dāng)用激光鉗住一個(gè)細(xì)胞時(shí)，再用另一束較強(qiáng)的激光作為激光刀，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行手術(shù)。如，切下DNA或細(xì)胞膜，研究細(xì)胞功能的變化;鉗住某種基因?qū)⑵渥⑷氲街参锛?xì)胞內(nèi)，起到基因傳遞的作用等。激光鉗與激光刀聯(lián)合使用還可以實(shí)現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測(cè)序計(jì)劃”激光冷卻和捕獲原子技術(shù)獲得低溫是科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)不斷追求的一種技術(shù)，它不但給人類帶來(lái)實(shí)惠，如超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，而且為研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)創(chuàng)造了獨(dú)特的條件。在低溫條件下，分子，原子熱運(yùn)動(dòng)的影響可以大大的減弱，原子更容易暴露出它們的性質(zhì)。20世紀(jì)80年代，借助激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫狀態(tài)。這種獲得低溫的方法