激光原理第一節(jié)課.ppt

1、2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,1,激光原理,陳建新 福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,2,第一章 激光的物理基礎(chǔ),光的電磁波理論 光波的模式和光子的量子狀態(tài) 光的相干性和相干體積 光子簡(jiǎn)并度 黑體輻射 光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射 激光的產(chǎn)生 激光器和激光的特性,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,3,黑體輻射的普朗克公式,黑體(絕對(duì)黑體)：指入射到該物體面上各種波長(zhǎng)的能量都能完全吸收的物體。,絕對(duì)黑體示意圖,黑體輻射：指黑體所發(fā)出的電磁輻射。,(量子統(tǒng)計(jì))單位頻率間隔的能量密度：,吸收系數(shù) ：物體

2、在溫度T時(shí)，入射到物體的表面上的波長(zhǎng)為 的電磁輻射能量中，有 部分被吸收了,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,4,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(gè)能級(jí))，引入了兩個(gè)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(jí)E2向低能級(jí)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：,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,5,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

3、為 的光子作用下，如果 ，則處于低能級(jí) 上的原子由于吸收一個(gè)能量為 的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級(jí) 上去的過程。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,6,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(lì)下，從高能級(jí) 躍遷到低能級(jí) ，原子發(fā)射一個(gè)與外來光子一模一樣的光子的過程。,入射光,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,7,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。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建

4、新,8,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(jiǎn)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)。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,9,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。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,10,激光的產(chǎn)生,當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收這三個(gè)過程是同時(shí)出現(xiàn)的，如何實(shí)現(xiàn)大量原子的受激輻射產(chǎn)生激光?,2004年

5、10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,11,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(jí)上的集居數(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(gè)能級(jí)的粒子數(shù)分布示意圖,激光產(chǎn)生必須具備的前提條件,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,12,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(duì)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),2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,13,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

6、射泵浦,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,14,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(shí)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),2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,15,紅寶石激光器,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,16,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(shí)光強(qiáng)不再增加并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的極限值。 只要激光放大器的長(zhǎng)度足夠大，就可能成為一個(gè)自激振蕩器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)

7、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(zhǎng)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)。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,17,激光產(chǎn)生的三個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)； 有外界激勵(lì)源，使激光上下能級(jí)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。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,18,第一章小結(jié),2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,19,第二章 光學(xué)諧振腔,光學(xué)諧振腔的構(gòu)成和作用 光學(xué)諧振腔的模式

8、 光學(xué)諧振腔的損耗，Q值及線寬 光學(xué)諧振腔的幾何光學(xué)分析 光學(xué)諧振腔的衍射理論分析 平行平面腔的Fox-Li數(shù)值迭代法 穩(wěn)定球面鏡共焦腔 一般穩(wěn)定球面鏡腔及等價(jià)共焦腔 非穩(wěn)定諧振腔 選模技術(shù),2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,20,第一節(jié) 光學(xué)諧振腔的構(gòu)成,光學(xué)諧振腔的構(gòu)成,最簡(jiǎn)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€(gè)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(gè)端面，但一些激光器中會(huì)另外放置元件以限制光束為理想的形狀。,2004年10月9日,福建師范大

9、學(xué)物光學(xué)院 陳建新,21,光學(xué)諧振腔的種類,諧振腔的開放程度，閉腔、開腔、氣體波導(dǎo)腔 開放式光學(xué)諧振腔(開腔)通?？梢苑譃榉€(wěn)定腔、非穩(wěn)定腔 反射鏡形狀，球面腔與非球面腔，端面反射腔與分布反饋腔 反射鏡的多少，兩鏡腔與多鏡腔，簡(jiǎn)單腔與復(fù)合腔,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,22,閉腔、開腔、氣體波導(dǎo)腔,閉腔,開腔,氣體波導(dǎo)腔,固體激光器的工作物質(zhì)通常具有比較高的折射率，因此在側(cè)壁上將發(fā)生大量的全反射。如果腔的反射鏡緊貼激光棒的兩端，則在理論上分析這類腔時(shí)，應(yīng)作為介質(zhì)腔來處理。半導(dǎo)體激光器是一種真正的介質(zhì)波導(dǎo)腔。這類光學(xué)諧振腔稱為閉腔,這是激光技術(shù)歷史上最早提出的平行平面腔（F

10、-P腔）。后來又廣泛采用了由兩塊具有公共軸線的球面鏡構(gòu)成的諧振腔。從理論上分析這些腔時(shí)，通常認(rèn)為側(cè)面沒有光學(xué)邊界，因此將這類諧振腔稱為開放式光學(xué)諧振腔，簡(jiǎn)稱開腔,另一類光腔為氣體波導(dǎo)激光諧振腔，其典型結(jié)構(gòu)是一段空心介質(zhì)波導(dǎo)管兩端適當(dāng)位置放置反射鏡。這樣，在空心介質(zhì)波導(dǎo)管內(nèi)，場(chǎng)服從波導(dǎo)中的傳播規(guī)律，而在波導(dǎo)管與腔鏡之間的空間中，場(chǎng)按與開腔中類似的規(guī)律傳播。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,23,穩(wěn)定腔和非穩(wěn)定腔,看在腔內(nèi)是否存在穩(wěn)定振蕩的高斯光束,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,24,由兩塊相距為L(zhǎng)、平行放置的平面反射鏡構(gòu)成,由兩個(gè)以上的反射鏡構(gòu)成,雙凹球

11、面鏡腔：由兩塊相距為L(zhǎng)，曲率半徑分別為R1和R2的凹球面反射鏡構(gòu)成,R1+R2=L,R1=R2=L,一般球面腔RL2R,平凹腔和凹凸與雙凸腔圖2-2-1書中58頁,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,25,第一節(jié) 光學(xué)諧振腔的作用,1. 提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔?： 使得振蕩光束在腔內(nèi)行進(jìn)一次時(shí)，除了由腔內(nèi)損耗和通過反射鏡輸出激光束等因素引起的光束能量減少外，還能保證有足夠能量的光束在腔內(nèi)多次往返經(jīng)受激活介質(zhì)的受激輻射放大而維持繼續(xù)振蕩。 影響諧振腔的光學(xué)反饋?zhàn)饔玫膬蓚€(gè)因素： 組成腔的兩個(gè)反射鏡面的反射率；反射鏡的幾何形狀以及它們之間的組合方式。,2. 產(chǎn)生對(duì)振蕩光束的控制作用,改變

12、腔的參數(shù)如：反射鏡、幾何形狀、曲率半徑、鏡面反射率及配置,有效地控制腔內(nèi)實(shí)際振蕩的模式數(shù)目，獲得單色性好、方向性強(qiáng)的相干光 可以直接控制激光束的橫向分布特性、光斑大小、諧振頻率及光束發(fā)散角 可以控制腔內(nèi)光束的損耗，在增益一定的情況下能控制激光束的輸出功率,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,26,研究光學(xué)諧振腔的目的,通過了解諧振腔的特性，來正確設(shè)計(jì)和使用激光器的諧振腔，使激光器的輸出光束特性達(dá)到應(yīng)用的要求,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,27,第二節(jié) 光學(xué)諧振腔的模式(波型),在具有一定邊界條件的腔內(nèi)，電磁場(chǎng)只能存在于一系列分立的本征態(tài)之中，場(chǎng)的每種本征態(tài)

13、將具有一定的振蕩頻率和空間分布。 光學(xué)諧振腔的模式: 諧振腔內(nèi)可能存在的電磁場(chǎng)本征態(tài)。 模式與腔的結(jié)構(gòu)之間具有依賴關(guān)系 光學(xué)諧振腔的模式分為：縱模和橫模,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,28,諧振條件和駐波條件,駐波的定義：二振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時(shí)迭加的結(jié)果稱為駐波。,平行平面腔中平面波的往返傳播,光腔中的駐波,相位差：,光學(xué)長(zhǎng)度：,駐波條件(光波波長(zhǎng)和平行平面腔腔長(zhǎng))：,諧振頻率(頻率和平行平面腔腔長(zhǎng))：,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,29,縱模-縱向的穩(wěn)定場(chǎng)分布,激光的縱模(軸模)：由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向穩(wěn)定場(chǎng)分布 整數(shù)q稱為縱

14、模的序數(shù)，駐波系統(tǒng)在腔的軸線上零場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)目,諧振腔內(nèi)q階縱模的頻率為基縱模頻率的整數(shù)倍(q倍）,q階縱模頻率可以表達(dá)為：,基縱模的頻率可以表達(dá)為：,縱模的頻率間隔：,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,30,腔的縱模在頻率尺度上是等距離排列的,激光器諧振腔內(nèi)可能存在的縱模示意圖,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,31,單頻激光器和多模激光器,L=10厘米和L=30厘米的He-Ne氣體激光器,L=10厘米的He-Ne氣體激光器,L=30厘米的He-Ne氣體激光器,Ne原子的中心頻率：,Ne原子的中心波長(zhǎng)：,熒光光譜線寬：,6328,2004年10月9日,福建師

15、范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,32,激光器中出現(xiàn)的縱模數(shù),工作原子自發(fā)輻射的熒光線寬越大，可能出現(xiàn)的縱模數(shù)越多。 激光器腔長(zhǎng)越大，相鄰縱模的頻率間隔越小，同樣的熒光譜線線寬內(nèi)可以容納的縱模數(shù)越多。,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,33,激光諧振腔內(nèi)低階縱模分布示意圖,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,34,激光縱模分布示意圖,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,35,橫模-橫向X-Y面內(nèi)的穩(wěn)定場(chǎng)分布,激光的模式用符號(hào)：,TEMmnq,q為縱模的序數(shù)(縱向駐波波節(jié)數(shù))，m,n (p,l)為橫模的序數(shù)。 對(duì)于方形鏡，M表示X方向的節(jié)線數(shù)， N表示Y方

16、向的節(jié)線數(shù)； 對(duì)于圓形鏡， p 表示徑向節(jié)線數(shù)，即暗環(huán)數(shù)，l表示角向節(jié)線數(shù)，即暗直徑數(shù),基模(橫向單模)：m=n=0, 其它的橫模稱為高階橫模,方形反射鏡和圓形反射鏡的橫模圖形,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,36,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,37,(c) TEM02,(d) TEM03,(a) TEM00,(b) TEM10,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,38,橫模電場(chǎng)分布及強(qiáng)度示意圖,(a) TEM00,(b) TEM10,(c) TEM20,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,39,激光諧振腔內(nèi)電場(chǎng)橫模分布

17、示意圖,TEM00,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,40,激光諧振腔內(nèi)電場(chǎng)橫模分布示意圖,TEM11,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,41,激光多橫模振蕩示意圖,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,42,橫模(自再現(xiàn)模)的形成,u1 u3 ,u2 u4 ,理想開腔：兩塊反射鏡的直徑為2a，間距為L(zhǎng),橫模(自再現(xiàn)模): 在腔反射鏡面上經(jīng)過一次往返傳播后能“自再現(xiàn)”的穩(wěn)定場(chǎng)分布,實(shí)際情況下，諧振腔的截面是受腔中的其他光闌限制的，67頁的圖2-2-5給出了孔闌傳輸線的自再現(xiàn)模的形成,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,43,激光

18、模式的測(cè)量方法,橫模的測(cè)量方法：在光路中放置一個(gè)光屏；拍照；小孔或刀口掃描方法獲得激光束的強(qiáng)度分布，確定激光橫模的分布形狀 縱模的測(cè)量方法：法卜里珀洛F-P掃描干涉儀測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中利用球面掃描干涉儀,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,44,縱模的測(cè)量方法：球面掃描干涉儀測(cè)量,測(cè)量原理：通過測(cè)量激光輸出的頻率譜來判定模式,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,45,球面掃描干涉儀,兩球面鏡：組成無源腔,小孔光闌：增加高次橫模的衍射損耗,壓電陶瓷：通過改變電壓而改變腔長(zhǎng)因而導(dǎo)致改無源腔所允許通過激光頻率改變,示波器的鋸齒波掃描電壓，對(duì)激光允許通過的頻率作周期性的掃描,光電探測(cè)器：接收掃描到的激光頻率,雙凸薄透鏡：待測(cè)的激光光束變換為無源腔的高斯光束。使待測(cè)激光束的全部能量耦合到無源腔的基模中去。,偏振器和1/4波片組成光學(xué)隔離器，防止光重新回到待測(cè)激光器中去,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,46,小結(jié)：光學(xué)諧振腔的構(gòu)成、分類、作用和模式,縱模的頻率間隔：,q階縱模頻率可以表達(dá)為：,2004年10月9日,福建師范大學(xué)物光學(xué)院 陳建新,47,例,1 He-Ne 激光器諧振腔長(zhǎng)50 cm，激射波長(zhǎng) 632.8nm，熒光光譜