激光基本原理概述講解課件

第一章激光基本原理概述

按激光工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體（有機染料）激光器一般激光器的三個主要組成部分：

激光工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔、激勵能源Ruby：紅寶石/ru:bi/第一章激光基本原理概述按激光工作物質(zhì)分類：Ruby：1§1.2光的受激輻射（StimulatedEmission)一、光和物質(zhì)(原子、分子、離子，統(tǒng)稱粒子)相互作用的三種過程自發(fā)輻射(SP)

E1E2hn(SpontaneousEmission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激輻射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)E2andE1表示兩個激發(fā)態(tài)一個光子的能量輻射頻率§1.2光的受激輻射（StimulatedEmissio2E1E2hnE1E2hn自發(fā)輻射（SpontaneousEmission）。主要特征：無需外來光，隨機發(fā)光，發(fā)出的光子不相關(guān)，即相位、偏振態(tài)、傳輸方向是隨機的；發(fā)出的光子能量分布在許許多多個模式上。自發(fā)輻射幾率(Spontaneoustransitionrate)A21

－能級21躍遷的特征參數(shù)E2能級平均壽命E1E2hnE1E2hn自發(fā)輻射（Spontaneous3推導(dǎo)A21and

s

的關(guān)系式E1E2hn在自發(fā)輻射過程中，E2能級上粒子隨時間按指數(shù)衰減自發(fā)輻射幾率A21與自發(fā)輻射（能級）壽命ts呈倒數(shù)關(guān)系

ts可以通過實驗測得，由A21=1/

s可獲得自發(fā)輻射幾率

A21只決定于物質(zhì)本身性質(zhì)，與輻射場

無關(guān)推導(dǎo)A21ands的關(guān)系式E1E2hn在自發(fā)輻4受激躍遷

受激吸收stimulatedabsorption(STA)受激發(fā)射stimulatedemission(STE)hnE1E2受頻率為的光場作用受激輻射的光子具有完全相同的相位、偏振態(tài)和傳輸方向受激吸收幾率W12受激輻射幾率W21受激躍遷hnE1E2受頻率為5－單色能量密度(J·m-3·s)受激輻射幾率與輻射場的強度成正比能級2

1and1

2的受激躍遷幾率相等即受激躍遷與自發(fā)躍遷是本質(zhì)不同的物理過程為受激吸收和受激輻射躍遷系數(shù)，常數(shù)B12和B21的大小只與物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場無關(guān)A21、B21和B12關(guān)系式（愛因斯坦關(guān)系式）推導(dǎo)－單色能量密度(J·m-3·s)受激輻射幾率與輻射6二、愛因斯坦關(guān)系式－A21、B21和B12的關(guān)系愛因斯坦關(guān)系熱平衡黑體輻射公式玻爾茲曼分布模密度n

黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式的平均能量f1=f2能級簡并度二、愛因斯坦關(guān)系式－A21、B21和B12的關(guān)系愛因斯7說明：SPE,STA,STE三種過程同時存在，只是有強弱差別兩種輻射比較(熱平衡情況下)

答案：SPE（自發(fā)輻射）占絕對優(yōu)勢單位時間STE增加的光子數(shù)密度單位時間STA減少的光子數(shù)密度3.兩種受激躍遷比較(熱平衡情況下)T=1500K,l=500nm空腔說明：單位時間STE增加的光子數(shù)密度3.兩種受激躍遷比較84.自發(fā)輻射光子可作為引起受激輻射的外來光

起始階段的受激輻射的外來光來自于介質(zhì)的自發(fā)輻射因此，當(dāng)光在介質(zhì)內(nèi)傳輸時，光將被吸收而衰減。§1.3激光產(chǎn)生的基本原理（概述）激光產(chǎn)生的條件:(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布(2)增益>損耗即自激振蕩的閾值條件4.自發(fā)輻射光子可作為引起受激輻射的外來光因此，當(dāng)光在介9FlashlampFlashlampOutputbeamExternalmirrorExternalmirrorPartlytransmissionRubylaser694.3nm

發(fā)光粒子－鉻離子(Cr3+)

泵浦光源－閃光燈,其作用是實現(xiàn)鉻離子反轉(zhuǎn)分布

光諧振腔－兩平面反射鏡，實現(xiàn)光反饋，使受激輻射光放大形成激光以紅寶石激光器(RubyLaser)為例FlashlampFlashlampOutputExte10一、受激輻射占優(yōu)勢的條件－粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（populationinversion）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射占主導(dǎo)光放大實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱為增益(或激活)介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的前提條件如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？

只有依靠外界向物質(zhì)提供能量(泵浦或稱激勵)才能打破熱平衡，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)En常溫下，Bolzman分布反轉(zhuǎn)分布一、受激輻射占優(yōu)勢的條件－粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（populati11r1r2mediumenergysourceAlmostanyenergysourcecanbeusedaspump,evenanotherlaser.泵浦方法

光學(xué)a)閃光燈；b)其它激光器（如半導(dǎo)體激光器）電a)氣體放電;b)大能量電子束;c)注入電流(產(chǎn)生電子-空穴對)3.化學(xué)反應(yīng)a)火焰;b)爆炸4.電離性輻射a)核彈b)X-ray5.

Thermaloven……r1r2mediumenergysourceAlmost12二、受激輻射光放大

開放式諧振腔（Openresonatororcavity）

模選擇提高光子簡并度(Photondegeneracy)激活介質(zhì)中的增益

增益系數(shù)(gaincoefficient),增益飽和(gainsaturation)增益曲線(gainprofile)

光子簡并度開放式諧振腔的模選擇增益系數(shù)(小信號、大信號、增益飽和)d.增益曲線(增益系數(shù)對于頻率的分布)二、受激輻射光放大光子簡并度13激光特性:單色性好、方向性好、光亮度

相干光(coherentlight)

自發(fā)輻射～非相干光－光子簡并度很低受激輻射～相干光－光子簡并度高

什么是光子簡并度n

－衡量相干光的參量具有相同能量和動量的光子數(shù)（也稱同態(tài)光子數(shù)）同一模式中的光子數(shù)Photondegeneracy激光特性:單色性好、方向性好、光亮度Photonde14例：黑體輻射源（近似封閉腔）的光子簡并度模密度n

黑體輻射分配到每個模式的平均能量Example:T=300K=30cmn=103coherent=60mn=1;=0.6mn=10-35incoherent結(jié)論:黑體輻射在紅外和可見光波段為非相干的例：黑體輻射源（近似封閉腔）的光子簡并度模密度n黑體輻射分15模密度nn式(1.3.2)的物理意義?(1.3.2)(2)避免產(chǎn)生許多模式，特定模式的

增加，使相干的STE光子集中在一個或少數(shù)幾個模內(nèi)。(3)將封閉腔改為開放式諧振腔(1)模密度nn式(1.3.2)的物理意義?(1.3.2)(16最簡單的開放式諧振腔是F-P腔開放式光諧振腔使特定（軸向）模式的

增加,其它模式(非軸向)逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡并度。

光諧振腔有選模作用，是構(gòu)成激光器的主要部分。

軸向模F-P光諧振腔Closedcavity最簡單的開放式諧振腔是F-P腔軸向模F-P光諧振腔Clo17

增益系數(shù)(GainCoefficient)與增益曲線

增益系數(shù)－描述激光工作物質(zhì)放大特性的參數(shù)定義：單位長度介質(zhì)中光強增大的百分比Dn(z)0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層凈STE光子數(shù)密度增益系數(shù)(GainCoefficient)與增益曲線增18

若介質(zhì)中Dn分布均勻,g(z)常數(shù)g0－小信號增益系數(shù)

光放大光被吸收透明*隨著光強不斷增大，增益系數(shù)是否能保持常數(shù)請考慮每一變化的物理原因？受激輻射使消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增多（注意前提條件）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和

增益飽和－大信號情況No!若介質(zhì)中Dn分布均勻,g(z)常數(shù)g0－小信號增益19增益飽和g(I)

（GainSaturation)問題:何時會出現(xiàn)增益飽和？飽和光強

Is:其值由增益介質(zhì)本身性質(zhì)決定（4.5節(jié)討論）光強增大到一定程度,g將隨

I

的增大而減小小信號增益系數(shù)，常數(shù)，與I無關(guān)大信號增益系數(shù)，g(I)<g0增益飽和（飽和增益系數(shù)）增益飽和g(I)（GainSaturation)問題20增益曲線g(n)

－增益系數(shù)相對于頻率的分布問題的提出：引起STE的外來光(自發(fā)輻射）不是單一頻率，有一定的頻率分布,(第四章詳細討論)增益線寬Dn定義:增益曲線極大值的半高全寬(FWHM)ng(n)n0

增益曲線g(n)－增益系數(shù)相對于頻率的分布增益線寬Dn21損耗系數(shù)a

激活介質(zhì)中不僅存在增益，還有損耗損耗系數(shù)－單位長度光強衰減的百分比負增益系數(shù)g&a并存的介質(zhì)中，光強的變化解微分方程并有dz薄層g&

損耗系數(shù)ag&a并存的介質(zhì)中，光強的變化解微分方程22三、自激振蕩器（引出激光閾值條件、極值光強等）

（1）自激振蕩概念(電)自激振蕩器必須具備的基本條件：同相；振幅平衡激光器光自激振蕩器如何實現(xiàn)光的正反饋和穩(wěn)定的振幅（光強）？光諧振腔增益和損耗達到平衡amplifierfeedbackr1r2ActivemediumPumpforproducinganinversion激光振蕩的閾值條件三、自激振蕩器（引出激光閾值條件、極值光強等）（1）23I0Imgg0

zzI0只要增益介質(zhì)足夠長，無論初始光強I0如何，通過增益飽和，總可以達到確定的極值光強Im

即自激振蕩概念設(shè)增益介質(zhì)無限長，且增益與損耗并存激光器是否振蕩與初始光強無關(guān)初始光強來自于自發(fā)輻射介質(zhì)增益飽和作用使增益和損耗的平衡決定了激光的最后輸出功率I0Imgg0zzI0只要增益介質(zhì)足夠長，無論初始光強I24（2）如何使有限長增益介質(zhì)成為“無限長”光放大器

沿著腔軸的光在腔內(nèi)多次往返等效無限長放大器（3）自激振蕩條件－激光振蕩條件－閾值條件光諧振腔:光學(xué)正反饋；同相位增益飽和：極值光強；穩(wěn)定振幅

Indexofrefraction:hmediumlengthLr1r2I0I1Thresholdcondition(閾值條件）（2）如何使有限長增益介質(zhì)成為“無限長”光放大器沿著腔軸的25d－單程損耗，即單程渡越時腔內(nèi)平均光強衰減的比值閾值條件閾值(自激振蕩)條件是激光產(chǎn)生的必要條件，唯一地由激光器的損耗決定。

損耗是評價激光器的重要指標=d－激光腔內(nèi)的平均損耗系數(shù)，包括激活介質(zhì)、諧振腔及其它損耗（詳見2.1節(jié)）d－單程損耗，即單程渡越時腔內(nèi)平均光強衰減的比值閾值條件閾26Note:Thresholdconditionisnecessaryforgenerationoflaser,onlydependentonthelosses,independentontheintensityofinitiativelight.Initiativelightcomesfromspontaneousemissionoflasermedium,evenifthespontaneousemissionissoweakatthebeginning.Finally,theterminalintensitycanbeobtainedbygainsaturationeffect.Ifthelengthofac