第一章-激光基礎(chǔ)原理課件

激光原理與技術(shù)·原理部分任課教師：夏珉EMail：minxiahust@電話光原理與技術(shù)·原理部分任課教師：夏珉1第一章激光概述先修科目幾何光學(xué)物理光學(xué)量子力學(xué)參考書(shū)目激光原理國(guó)防工業(yè)出版社2000年版周炳琨等編量子電子學(xué)科學(xué)技術(shù)出版社1983年版AmnonYariv，劉頌豪等翻譯Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,1998第一章激光概述先修科目2第一章激光概述1.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.3激光的特性1.4激光器實(shí)例第一章激光概述1.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀31.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀提到激光時(shí)腦海中的第一印象？1.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀提到激光時(shí)腦海中的第一印象？41.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀什么是激光？LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：受激輻射光放大死光：葉永烈《珊瑚島上的死光》鐳射：LASER的音譯1.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀什么是激光？51.1.1激光發(fā)展的歷史史前時(shí)代17世紀(jì)—對(duì)光的本性的探求：波動(dòng)說(shuō)：以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌?dòng)過(guò)程，惠更斯、虎克；微粒說(shuō)：以經(jīng)典方式運(yùn)動(dòng)著的微小粒子，牛頓；19世紀(jì)：光的波動(dòng)本性有了進(jìn)一步發(fā)展電磁場(chǎng)理論、麥克斯韋方程組1.1.1激光發(fā)展的歷史史前時(shí)代61.1.1激光發(fā)展的歷史19世紀(jì)下半葉發(fā)展起來(lái)的電磁場(chǎng)理論能夠解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等現(xiàn)象；然而到了20世紀(jì)初，出現(xiàn)了黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)和康普頓散射等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這些涉及到光與物質(zhì)相互作用時(shí)能量與動(dòng)量交換特征的就無(wú)法用當(dāng)時(shí)的經(jīng)典理論來(lái)解釋。1.1.1激光發(fā)展的歷史19世紀(jì)下半葉發(fā)展起來(lái)的電磁場(chǎng)理論能71.1.1激光發(fā)展的歷史黎明前的黑暗1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1905年，愛(ài)因斯坦提出光子假說(shuō)并成功解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"1.1.1激光發(fā)展的歷史黎明前的黑暗"inrecognit81.1.1激光發(fā)展的歷史1913年，玻爾借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型，并因此獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1917年，愛(ài)因斯坦在玻爾的原理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎(chǔ)；1928年，Landenburg證實(shí)了受激輻射和“負(fù)吸收”的存在；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"1.1.1激光發(fā)展的歷史1913年，玻爾借鑒了普朗克的量子概91.1.1激光發(fā)展的歷史1947年，Lamb和Reherford在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Lamb由于在氫原子光譜研究方面的成績(jī)獲得1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1950年，Kastler提出了光學(xué)泵浦的方法，兩年后該方法被實(shí)現(xiàn)。他因?yàn)樘岢隽诉@種利用光學(xué)手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"1.1.1激光發(fā)展的歷史1947年，Lamb和Reherfo101.1.1激光發(fā)展的歷史1951年,Townes提出受激輻射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一臺(tái)氨分子Maser建成，首次實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其主要作用是放大無(wú)線電信號(hào)，以便研究宇宙背景輻射。Townes由于在受激輻射放大方面的成就獲得1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"1.1.1激光發(fā)展的歷史1951年,Townes提出受激輻射111.1.1激光發(fā)展的歷史突破1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上發(fā)表論文“InfraredandOpticalMaser”，標(biāo)志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺(tái)。1960年5月，休斯實(shí)驗(yàn)室的Maiman和Lamb共同研制的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)激光器。1.1.1激光發(fā)展的歷史突破121.1.1激光發(fā)展的歷史1960年年中，IBM實(shí)驗(yàn)室利用CaF2中的三價(jià)鈾制成了第一臺(tái)四能級(jí)固體激光器；1960年12月，BELL實(shí)驗(yàn)室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一臺(tái)氦氖氣體激光器；1962年，GaAs半導(dǎo)體激光器；1963年，液體激光器；1964年，CO2激光器；1964年，離子激光器；1964年，Nd：YAG固體激光器；1965年，HCl化學(xué)激光器；1966年，生物染料激光器；從1917年愛(ài)因斯坦提出受激輻射的概念到1960年第一臺(tái)激光器誕生，其間用了近半個(gè)世紀(jì)，而實(shí)際上卻沒(méi)有太多理論上的突破，為什么激光器沒(méi)有早半個(gè)世紀(jì)誕生？1.1.1激光發(fā)展的歷史1960年年中，IBM實(shí)驗(yàn)室利用Ca131.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀發(fā)展更大為了進(jìn)行高能物理、熱核聚變等方面的研究工作，激光器產(chǎn)生的能量密度和功率不斷提高?，F(xiàn)在世界上功率最大的激光器是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火工程（NIF）中使用的NOVA激光系統(tǒng)，其峰值功率達(dá)到1.3PW（1015W），該系統(tǒng)有望在今年投入使用。1.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀發(fā)展141.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀NIS已經(jīng)于2009年點(diǎn)火成功，2010年報(bào)道的單脈沖能量達(dá)到1MJ，峰值功率1015W以上。超過(guò)美國(guó)歷史上任意時(shí)刻消耗電功率的500倍以上。目前，神光-Ⅲ原型裝置“十五”建設(shè)目標(biāo)已圓滿完成，達(dá)到“8束出光，脈沖-萬(wàn)焦耳”的水平，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美、法后世界上第三個(gè)系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體技術(shù)的國(guó)家，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)具備獨(dú)立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器能力的國(guó)家。

1.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀NIS已經(jīng)于2009年點(diǎn)火成功，20151.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀更小各種工業(yè)指示、標(biāo)記、探測(cè)用的半導(dǎo)體激光器或者半導(dǎo)體泵浦固體激光器向著小型化方向發(fā)展；1.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀更小161.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀更集成各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等功能模塊。1.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀更集成171.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀更快更高的調(diào)制頻率：GHz；更短的脈沖寬度：飛秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多樣化多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學(xué)能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導(dǎo)體、自由電子等；1.1.1激光發(fā)展的現(xiàn)狀更快181.1.2理論體系經(jīng)典理論（ClassicalLaserTheory）電磁場(chǎng)－麥克斯韋方程組；原子－電偶極振子半經(jīng)典理論（SemiclassicalLaserTheory）電磁場(chǎng)－麥克斯韋方程組；原子－量子力學(xué)描述量子理論（QuantumLaserTheory）電磁場(chǎng)和原子——二者作為一個(gè)統(tǒng)一的物理體系作量子化處理速率方程理論（RateEquationTheory）量子理論的簡(jiǎn)化形式，忽略光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性1.1.2理論體系經(jīng)典理論（ClassicalLaser191.1.2理論體系激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的量子理論，在原則上可以描述激光器的全部特性；不同近似程度的理論用來(lái)描述激光器的不同層次的特性，每種近似理論都揭示出激光器的某些特性，因此可以根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的近似理論；本課程主要用到的理論是經(jīng)典理論和速率方程。1.1.2理論體系激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上201.1.3激光的應(yīng)用從科幻到現(xiàn)實(shí)第一個(gè)描述激光的作品？威爾斯在1898年的小說(shuō)《世界大戰(zhàn)》（火星人入侵）：“由某種方式在非傳導(dǎo)的小室中產(chǎn)生酷熱，用拋物鏡將其變成平行光，射向目標(biāo)，這些射線不是可見(jiàn)光，而是某種熱……”CO2激光器，由CO2作為工作物質(zhì)，通過(guò)放電激發(fā)產(chǎn)生10.6um的紅外激光，肉眼不可見(jiàn)，其輸出方式多為拋物鏡構(gòu)成的反射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；火星大氣充滿CO2，并且有強(qiáng)烈的大氣放電（閃電），因此可能存在天然的激光；1.1.3激光的應(yīng)用從科幻到現(xiàn)實(shí)211.1.3激光的應(yīng)用激光的實(shí)際應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用：切割：速度快、無(wú)接觸、精度高、切縫光滑；焊接：焊接點(diǎn)均勻、美觀、精度高；表面處理；芯片刻蝕等。1.1.3激光的應(yīng)用激光的實(shí)際應(yīng)用221.1.3激光的應(yīng)用醫(yī)療：最早的激光醫(yī)療應(yīng)用：1961年12月在哥倫比亞長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)院用紅寶石激光器進(jìn)行了視網(wǎng)膜腫瘤治療；腫瘤治療；眼科手術(shù)：視網(wǎng)膜焊接、近視治療；美容；外科手術(shù)等?？蒲校喝⒊上?、非線性光學(xué)等需要高相干性、大功率光源的項(xiàng)目；可控核聚變；光鑷、冷凍原子1.1.3激光的應(yīng)用醫(yī)療：231.1.3激光的應(yīng)用確定地月距離登月是20世紀(jì)最大的騙局？阿波羅15號(hào)在登月時(shí)帶上了一套特別設(shè)備——大型角反射器，用來(lái)反射從地球發(fā)射過(guò)來(lái)的激光光束，通過(guò)記錄往返時(shí)間來(lái)計(jì)算地月距離。激光發(fā)散角很小，其光斑半徑在月面上小于1km，而普通探照燈的光斑在月面上會(huì)大于月球的直徑。1.1.3激光的應(yīng)用確定地月距離241.1.3激光的應(yīng)用軍事激光測(cè)距直接摧毀激光制導(dǎo)1.1.3激光的應(yīng)用軍事251.1.3激光的應(yīng)用其他條碼掃描照明、成像通訊娛樂(lè)1.1.3激光的應(yīng)用其他261.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.1黑體輻射與普朗克公式黑體：一個(gè)物體能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，則稱此物體為絕對(duì)黑體或黑體。自然界中不存在絕對(duì)黑體，而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。黑體輻射：當(dāng)黑體處于某一恒定溫度的熱平衡狀態(tài)，它吸收的電磁輻射和發(fā)射的電磁輻射完全相等，即處于能量平衡狀態(tài)，這將導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)。這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.1黑體輻射與普朗克公式271.2激光產(chǎn)生的機(jī)理普朗克公式：黑體輻射是黑體溫度T和輻射場(chǎng)頻率

的函數(shù)，并可以用單色能量密度

描述，表示單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量，其量綱為。為了解釋實(shí)驗(yàn)測(cè)得的分布規(guī)律，普朗克提出了量子化假設(shè)，并得到了普朗克公式：在溫度T的熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射平均地分配到腔內(nèi)處于頻率附近的所有模式上的平均能量為：1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理普朗克公式：281.2激光產(chǎn)生的機(jī)理而腔內(nèi)單位體積中，頻率處于附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁場(chǎng)模式數(shù)：所以可以得到黑體輻射的普朗克公式：其中K為波爾茲曼常數(shù)：1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理而腔內(nèi)單位體積中，頻率處于附近單291.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.2受激輻射與自發(fā)輻射自發(fā)輻射（Spontaneousemission）處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)的向較低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為的光子，這種過(guò)程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射特點(diǎn)：各個(gè)原子所發(fā)的光向空間各個(gè)方向傳播，是非相干光。假設(shè)系統(tǒng)中高能級(jí)原子數(shù)為n2，低能級(jí)原子數(shù)為n1，則單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)向低能級(jí)發(fā)生躍遷的原子數(shù)dn21為：其中A21為自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)，定義為單位時(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能級(jí)原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與n2的比值，其物理意義是每一個(gè)處于高能級(jí)的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.2受激輻射與自發(fā)輻射301.2激光產(chǎn)生的機(jī)理按照定義：從上式可以解出：自發(fā)輻射的平均壽命定義為原子數(shù)密度由起始值降至它的1/e的時(shí)間，則高能級(jí)原子數(shù)隨時(shí)間變化可表示為：通過(guò)比較可以得到：，即自發(fā)輻射系數(shù)為高能級(jí)原子平均壽命的倒數(shù)，是由原子本身的性質(zhì)決定的，不受外部輻射場(chǎng)的影響。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理按照定義：311.2激光產(chǎn)生的機(jī)理如何確定自發(fā)輻射系數(shù)？生活中的自發(fā)輻射？紅寶石晶體自發(fā)輻射平均壽命測(cè)量裝置測(cè)量得到的原子自發(fā)輻射能量衰減曲線1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理如何確定自發(fā)輻射系數(shù)？紅寶石晶體自發(fā)輻射321.2激光產(chǎn)生的機(jī)理受激吸收（StimulatedAbsorption）如果黑體原子和外加電磁場(chǎng)之間的相互作用只有自發(fā)輻射這一種，是無(wú)法維持腔內(nèi)的穩(wěn)定電磁場(chǎng)的，因此愛(ài)因斯坦預(yù)言，黑體原子必然存在著一種受外加電磁場(chǎng)激發(fā)而從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的過(guò)程。處于低能級(jí)E1的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用（激勵(lì)）下，受激地向E2能級(jí)躍遷并吸收一個(gè)能量為的光子，這一過(guò)程稱為受激吸收，用受激吸收躍遷幾率描述：受激躍遷與自發(fā)躍遷不同，其躍遷幾率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，而且與外加電磁場(chǎng)成正比，因此唯象的將其表示為：其中B12稱為受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，它只與原子性質(zhì)相關(guān)。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理受激吸收（StimulatedAbso331.2激光產(chǎn)生的機(jī)理受激輻射（StimulatedEmission）與受激吸收躍遷類(lèi)似，黑體原子同外加電磁場(chǎng)之間還存在另一種受激相互作用，一個(gè)處于高能級(jí)E2的原子在頻率為的電磁場(chǎng)作用下，受激地躍遷到E1能級(jí)，并放出一個(gè)能量為的光子，該過(guò)程被稱為受激輻射躍遷。可以用受激輻射躍遷幾率W21來(lái)描述受激輻射過(guò)程中高能級(jí)原子數(shù)變化的規(guī)律：受激輻射躍遷機(jī)率同樣與外加電磁場(chǎng)和原子特性相關(guān)：1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理受激輻射（StimulatedEmis341.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.3躍遷幾率之間的相互關(guān)系當(dāng)黑體處于確定的溫度T的熱平衡狀態(tài)時(shí)，具有以下三個(gè)特點(diǎn)：腔內(nèi)存在著由普朗克公式描述的熱平衡黑體輻射；腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按照能級(jí)的分布服從熱平衡狀態(tài)下的波爾茲曼分布： g1、g2為能級(jí)E1、E2的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；腔內(nèi)處于E2（或E1）能級(jí)的原子數(shù)應(yīng)保持不變：1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.3躍遷幾率之間的相互關(guān)系351.2激光產(chǎn)生的機(jī)理由特點(diǎn)3得到：將普朗克公式和波爾茲曼分布帶入上式有：令，可以求出愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的相互關(guān)系：特別的，當(dāng)g1=g2時(shí)，B12=B211.2激光產(chǎn)生的機(jī)理由特點(diǎn)3得到：361.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.4受激輻射的相干性自發(fā)輻射和受激輻射的區(qū)別是什么？自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、偏振方向等特性上是無(wú)規(guī)則的，即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有的電磁場(chǎng)模式上；受激輻射則是受到外加電磁場(chǎng)激發(fā)而產(chǎn)生的過(guò)程，由量子電動(dòng)力學(xué)可以嚴(yán)格證明受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，即具有相同的頻率、相位、波矢和偏振等特性。按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電偶極子，自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個(gè)原子的自發(fā)躍遷互相之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)；而受激輻射可以看作電子在外加光場(chǎng)作用下做受迫振動(dòng)，其振蕩頻率、相位、方向等與外加光場(chǎng)一致。大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射光子處于同一光子態(tài)，因而是相干的。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.4受激輻射的相干性371.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.5光的受激輻射放大光放大的基本原理：利用受激輻射；由于在原子與外加光場(chǎng)相互作用時(shí)同時(shí)存在受激輻射和受激吸收兩種作用，想要實(shí)現(xiàn)光放大，必須要滿足關(guān)系：由愛(ài)因斯坦系數(shù)相互關(guān)系及波爾茲曼分布得到光放大的條件：“不可能”的前提是原子數(shù)按照能級(jí)的分布服從波爾茲曼分布，那么要實(shí)現(xiàn)光放大，必須使原子數(shù)按能級(jí)的分布打破波爾茲曼分布，即使得高能級(jí)原子數(shù)大于低能級(jí)原子數(shù)，使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者稱為負(fù)絕對(duì)溫度狀態(tài)。要滿足該條件，只有T<0，這意味著物質(zhì)處于溫度低于絕對(duì)零度的狀態(tài)，而這是不可能的。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.5光的受激輻射放大要滿足該條件，381.2激光產(chǎn)生的機(jī)理如何使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)？通過(guò)各種泵浦機(jī)制，利用各種外部能量，使大量處于低能級(jí)的物質(zhì)粒子躍遷到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為光放大做好準(zhǔn)備。用增益系數(shù)來(lái)描述光放大物質(zhì)對(duì)光的放大能力，增益系數(shù)定義為光波在 介質(zhì)中經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng) 度后光強(qiáng)的相對(duì)增 長(zhǎng)率：1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理如何使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)？391.2激光產(chǎn)生的機(jī)理求解上面的微分方程，可以得到位置z處的光強(qiáng)：其中G0為增益系數(shù)的初值，當(dāng)粒子數(shù)差值(n2-n1)不隨距離變化，而且I0很小的情況下，G不隨光的傳輸而發(fā)生變化，這種情況稱為小信號(hào)增益。當(dāng)I隨著傳輸而逐漸增加時(shí)，高能級(jí)粒子被不斷消耗，因此G也隨之減少，G(z)隨著z增加而減少的現(xiàn)象稱為增益飽和。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理求解上面的微分方程，可以得到位置z處的光401.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.6光的自激振蕩在光放大物質(zhì)中，除了存在受激躍遷現(xiàn)象外，還有各種因素引起的光傳輸損耗，我們用損耗系數(shù)來(lái)描述這些損耗，它定義為光通過(guò)單位距離后光強(qiáng)衰減的百分比：在同時(shí)存在增益和損耗的光放大介質(zhì)中，光強(qiáng)隨傳輸距離的變化可以表示為：要利用增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大，應(yīng)滿足兩個(gè)基本條件：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；G>a；損耗大于增益增益大于損耗1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理1.2.6光的自激振蕩損耗大于增益增益大411.2激光產(chǎn)生的機(jī)理入射光能夠被無(wú)限放大嗎？假設(shè)一個(gè)微弱光I0入射到一段增益介質(zhì)中，其初始增益系數(shù)為G0，G0>a，此時(shí)光強(qiáng)隨著傳輸距離增加而不斷增強(qiáng)：但隨著光強(qiáng)的不斷增加，增益介質(zhì)中的高能級(jí)粒子不斷的由于受激輻射而躍遷到低能級(jí)，增益介質(zhì)的增益系數(shù)不斷減小，直到減小到時(shí)，光強(qiáng)將不再隨傳輸距離的變化而變化，此時(shí)的光強(qiáng)稱為飽和光強(qiáng)Im。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理入射光能夠被無(wú)限放大嗎？421.2激光產(chǎn)生的機(jī)理從上面的討論可以知道，只要增益介質(zhì)足夠長(zhǎng)，無(wú)論多微弱的入射光，都可以被放大為飽和光強(qiáng)Im。至此我們具備了產(chǎn)生激光的一個(gè)必要條件：能夠?qū)μ囟l率的微弱入射光進(jìn)行受激放大，新的問(wèn)題是：入射光從何而來(lái)？解決之道——自發(fā)輻射。 自發(fā)輻射會(huì)產(chǎn)生微弱的、頻率為 的熒光，可以 作為受激輻射的入射光。要產(chǎn)生我們需要的高強(qiáng)度、方向性好的激光，還有兩個(gè)問(wèn)題要解決：要獲得最大的放大效果，需要近似無(wú)窮長(zhǎng)度的增益介質(zhì)，然而這在工程上不可實(shí)現(xiàn)的，如何盡可能的增加增益物質(zhì)的長(zhǎng)度？自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子的前進(jìn)方向是隨機(jī)的，如果直接對(duì)其進(jìn)行受激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機(jī)的，如何選擇特定方向的光來(lái)進(jìn)行放大得到方向性很好的激光？1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理從上面的討論可以知道，只要增益介質(zhì)足夠長(zhǎng)431.2激光產(chǎn)生的機(jī)理在激光的實(shí)際應(yīng)用中，利用各種不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔來(lái)解決上述兩個(gè)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔是在工作物質(zhì)兩端放置兩塊平行的平面鏡而構(gòu)成的平行平面腔，通過(guò)讓需要放大的光在兩塊平面鏡之間反射，實(shí)現(xiàn)了近似于無(wú)限長(zhǎng)的增益介質(zhì)；通過(guò)限制平面鏡的尺度，使得自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱光在諧振腔內(nèi)反射的過(guò)程中，只有靠近平面鏡中心而且方向垂直于平面鏡的那部分光才能在其中多次反射，得到足夠多次的放大而形成激光，其它方向的光則迅速溢出諧振腔外，無(wú)法形成正反饋過(guò)程。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光方向性的選擇。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理在激光的實(shí)際應(yīng)用中，利用各種不同結(jié)構(gòu)的光441.2激光產(chǎn)生的機(jī)理光學(xué)諧振腔的作用提供正反饋控制激光模式光學(xué)諧振腔的作用很重要，但并不是不可或缺的，在某些高增益工作物質(zhì)構(gòu)成的激光器中，不需要諧振腔就能夠形成自激振蕩，只是相干性較差。1.2激光產(chǎn)生的機(jī)理光學(xué)諧振腔的作用451.3激光的特性1.3.1光子基本特性能量：動(dòng)量：質(zhì)量：光子沒(méi)有靜止質(zhì)量偏振態(tài)：光子有兩個(gè)可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于光波的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向；自旋：光子具有自旋，其自旋量子數(shù)為整數(shù)，光子屬于玻色子，服從玻色愛(ài)因斯坦分布，即處于同一量子態(tài)的全同粒子數(shù)目沒(méi)有限制。1.3激光的特性1.3.1光子基本特性46任意電磁場(chǎng)可以看作是一系列單色平面電磁波的線性疊加，這些單色平面電磁波用波矢來(lái)標(biāo)識(shí)；也可以將任意電磁場(chǎng)視為一系列與單色平面電磁波等效的電磁波本征模式的線性疊加；本征模式的能量、動(dòng)量具有量子化特性，即能量為基本能量的整數(shù)倍，動(dòng)量為基本動(dòng)量的整數(shù)倍。具有基本能量和基本動(dòng)量的物質(zhì)單元稱為屬于第個(gè)本征模式的光子。1.3激光的特性任意電磁場(chǎng)可以看作是一系列單色平面電磁波的線性疊加，這些單色471.3激光的特性1.3.2光波模式與光子相格在有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立存在的、具有特定波矢的單色平面駐波，能夠穩(wěn)定存在于腔內(nèi)的駐波稱為光波模式?？紤]如圖所示的金屬空腔，任何能夠存在的駐波應(yīng)該滿足以下條件：其中m、n、l為正整數(shù)，由波矢的表達(dá)式可以得到波矢的三個(gè)分量：每組不同的m、n、l標(biāo)識(shí)了不同的模式，如果在由kx、ky、kz構(gòu)成的空間中表示不同的模式，其結(jié)果如右圖，每個(gè)不同的模式分別占據(jù)圖中的一個(gè)方格?？梢郧蟪鲈谠摽臻g中一個(gè)模式占據(jù)的體積為：1.3激光的特性1.3.2光波模式與光子相格481.3激光的特性波矢在范圍內(nèi)的波矢空間體積為：則在該空間內(nèi)所包含的光波模式數(shù)為：由波矢的定義有：可以得到在體積為V的腔內(nèi)，頻率附近間隔內(nèi)的模式數(shù)P為：因此單位體積內(nèi)，頻率附近，單位頻率間隔的模式數(shù)為：1.3激光的特性波矢在491.3激光的特性光子狀態(tài)與相格在輻射場(chǎng)中的光子可以用動(dòng)量、位置和偏振態(tài)來(lái)對(duì)其加以區(qū)別；宏觀上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用位置（x,y,z）和動(dòng)量（Px,Py,Pz）來(lái)完全確定，一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)相空間（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一個(gè)點(diǎn)；微觀上的粒子運(yùn)動(dòng)滿足測(cè)不準(zhǔn)原理：在相空間中，一個(gè)光子態(tài)不再對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)體積元，稱為相格，其在相空間中的體積為：1.3激光的特性光子狀態(tài)與相格501.3激光的特性在波矢空間中一個(gè)光波模式占據(jù)的體積是：由于腔內(nèi)穩(wěn)定存在的光波模都是由兩列相向傳播的行波構(gòu)成的，因此每個(gè)模式的動(dòng)量可以寫(xiě)成：將以上結(jié)果代入(1)式，可得到：即一個(gè)光波模在相空間中也占有一個(gè)相格，一個(gè)光波模等效于一個(gè)光子態(tài)。1.3激光的特性在波矢空間中一個(gè)光波模式占據(jù)的體積是：511.3激光的特性1.3.3相干性光源的相干體積考慮頻率寬度為的沿z方向傳播的準(zhǔn)單色平面波，由雙縫干涉理論可知光源的相干面積：光波的相干長(zhǎng)度為其波列長(zhǎng)度：則光源相干體積為：其物理意義為：如要求傳播方向限于之內(nèi)并具有頻率寬度的光波相干，則光源應(yīng)局限在空間體積Vc內(nèi)。1.3激光的特性1.3.3相干性521.3激光的特性光子的相干性光子動(dòng)量在(x,y,z)方向的分量分別為：根據(jù)前述的光子態(tài)在相空間的體積為可得：上式表明相格的空間體積等于相干體積，如果光子屬于同一光子態(tài)，則它們應(yīng)該包含在相干體積之內(nèi)，即同一光子態(tài)的光子是相干的。1.3激光的特性光子的相干性531.3激光的特性光子態(tài)與光波模式是電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的兩種等效提法，是兩種等效的物理概念；相格的空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積；屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，而不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。1.3激光的特性光子態(tài)與光波模式是電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的兩種等541.3.4激光的特性1、激光的空間相干性與方向性方向性越好、空間相干性程度越高方向性（發(fā)散角）受衍射極限的限制2、激光的時(shí)間相干性與單色性單色性越好、相干時(shí)間越長(zhǎng)3、激光的高強(qiáng)度光子簡(jiǎn)并度——處于同一模式中的光子數(shù)目激光器可以產(chǎn)生很高的單模功率，即高光子簡(jiǎn)并度1.3激光的特性1.3.4激光的特性1.3激光的特性551.4典型激光器介紹固體激光器：紅寶石、Nd:YAG氣體激光器：原子、分子、離子液體激光器：染料激光器新型激光器：光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、化學(xué)激光器1.4典型激光器介紹固體激光器：紅寶石、Nd:YAG561.4典型激光器介紹固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。右圖是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫(huà)出)。2.紅寶石激光器 紅寶石是在三氧化二鋁(Al2O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長(zhǎng)成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)，它屬于三能級(jí)系統(tǒng)。3.摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物質(zhì):將一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子(Nd3＋)，它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。1.4典型激光器介紹固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)571.4典型激光器介紹紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)Nd3＋:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)1.4典型激光器介紹紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)58固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常 用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo) 冷卻等，其中以液冷最為普遍。泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵 浦光中的紫外光譜。1.4典型激光器介紹固體激光器的泵浦系統(tǒng)1.4典型激光器介紹59固體激光器的基本特性能量轉(zhuǎn)換效率低，要經(jīng)過(guò)電、光、原子、激光的途徑來(lái)形成受激輻射放大；運(yùn)行方式有連續(xù)、脈沖、調(diào)Q、放大、調(diào)制等；輸出光譜有數(shù)千條，覆蓋了可見(jiàn)光、近紅外光、紫外（利用晶體實(shí)現(xiàn)倍頻）；輸出峰值功率極高（鎖模）---太瓦、飛秒；1.4典型激光器介紹固體激光器的基本特性1.4典型激光器介紹60QuantelFrequency-DoubledNd-YAG1.4典型激光器介紹單脈沖能量：500mJ脈沖寬度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重復(fù)頻率：10Hz平均功率：5WQuantelFrequency-DoubledNd-Y611.4典型激光器介紹氣體激光器的分類(lèi)原子---產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體，有時(shí)也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子氣體，或銫、鎘、銅、錳、錫等金屬原子蒸氣。分子（準(zhǔn)分子）---產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體分子，所采用的分子氣體有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸氣等；準(zhǔn)分子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當(dāng)受到激發(fā)時(shí)，可暫時(shí)形成壽命很短的分子，稱為準(zhǔn)分子，這種分子也能產(chǎn)生激光。常采用的準(zhǔn)分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。離子---利用電離后的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣體離子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦-鎘(He-Cd)離子激光器1.4典型激光器介紹氣體激光器的分類(lèi)621.4典型激光器介紹氣體激光器的工作原理電激勵(lì)---氣體放電在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導(dǎo)電(叫做氣體放電)，被電場(chǎng)加速的電子與氣體原子(或分子、離子)碰撞，使后者激發(fā)到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一過(guò)程稱為放電激勵(lì)。氣體放電可采用直流或交流的連續(xù)放電、射頻放電(高頻放電)、脈沖放電等形式。直流和交流放電又分為縱向放電和橫向放電兩種。

除放電激勵(lì)外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵(lì)氣體，使之躍遷到高能級(jí)，這稱為電子束激勵(lì)。1.4典型激光器介紹氣體激光器的工作原理631.4典型激光器介紹氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如右圖所示。He-Ne