第一章激光器的基本概念2

1、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院參考書(shū)參考書(shū): 2. 激光物理基礎(chǔ)激光物理基礎(chǔ)哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 王雨三，張中華王雨三，張中華 主編主編3. 激光物理激光物理北京郵電大學(xué)出版社北京郵電大學(xué)出版社 盧亞雄，余學(xué)才，張曉霞編著盧亞雄，余學(xué)才，張曉霞編著5.Laser Theory Hermann Haken, Springer-Verlag, 1984 4.Principles of Lasers Orazio Svelto, Springer1.高等激光物理學(xué)高等激光物理學(xué)高等教育出版社高等教育出版社 李福利李福利 編著編著主要內(nèi)容主要內(nèi)容: 激光器的基本概念、

2、速率方程激光器的基本概念、速率方程 理論理論,半經(jīng)典理論和全量子理論半經(jīng)典理論和全量子理論課程要求課程要求: 30%平時(shí)平時(shí)+70%筆試筆試聯(lián)系方式聯(lián)系方式: 激光器激光器:利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1917年年-愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦-受激輻射發(fā)光過(guò)程的提出受激輻射發(fā)光過(guò)程的提出從理論上預(yù)言了產(chǎn)生激光的可能性，然而這從理論上預(yù)言了產(chǎn)生激光的可能性，然而這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)經(jīng)歷了幾十年。種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)經(jīng)歷了幾十年。1954年年-湯斯湯斯等人實(shí)現(xiàn)了微波的受

3、激放大等人實(shí)現(xiàn)了微波的受激放大除了工作波長(zhǎng)位于微波波段以外，工作原除了工作波長(zhǎng)位于微波波段以外，工作原理已和激光非常接近。理已和激光非常接近。1958年年-肖洛和湯斯肖洛和湯斯提出將微波量子放大器的原理推廣到光提出將微波量子放大器的原理推廣到光波領(lǐng)域。波領(lǐng)域。戈登戈登等研究了包含兩個(gè)球面鏡的光諧振腔的工作模式，并等研究了包含兩個(gè)球面鏡的光諧振腔的工作模式，并證實(shí)了它具有穩(wěn)定的準(zhǔn)直性和較低的衍射損耗，還推導(dǎo)出證實(shí)了它具有穩(wěn)定的準(zhǔn)直性和較低的衍射損耗，還推導(dǎo)出高斯場(chǎng)模橫向分布的最低階橫模高斯場(chǎng)模橫向分布的最低階橫模TEM00。1960年年 梅曼梅曼在休斯實(shí)驗(yàn)室成功地制造出紅寶石激光器在休斯實(shí)驗(yàn)室成

4、功地制造出紅寶石激光器此后，激光高速發(fā)展，各種氣體、固體、染料和半導(dǎo)此后，激光高速發(fā)展，各種氣體、固體、染料和半導(dǎo)體激光器相繼出現(xiàn)，許多相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)，激光器在體激光器相繼出現(xiàn)，許多相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)，激光器在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。1961年年 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所在王大王大珩珩領(lǐng)導(dǎo)下，用國(guó)產(chǎn)紅寶石制造出領(lǐng)導(dǎo)下，用國(guó)產(chǎn)紅寶石制造出中國(guó)第中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器一臺(tái)紅寶石激光器。1961年年R. W. Hellwarth發(fā)明發(fā)明Q開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)關(guān)技術(shù)。1962年年L. E. Hargrave研究成功研究成功鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)。1964年年N. G. Basov和中

5、國(guó)科學(xué)院王淦昌和中國(guó)科學(xué)院王淦昌獨(dú)立提出利用獨(dú)立提出利用激光進(jìn)行核聚變激光進(jìn)行核聚變的初步物理的初步物理模型。模型。1964年年 美國(guó)的理論物理學(xué)家美國(guó)的理論物理學(xué)家蘭姆蘭姆提出了提出了氣體激光的半經(jīng)典氣體激光的半經(jīng)典理論理論，成功地解釋了在氣體激光的功率曲線中心出現(xiàn)的凹陷，成功地解釋了在氣體激光的功率曲線中心出現(xiàn)的凹陷（蘭姆凹陷蘭姆凹陷），為氣體激光的飽和吸收穩(wěn)頻奠定了理論基礎(chǔ)。），為氣體激光的飽和吸收穩(wěn)頻奠定了理論基礎(chǔ)。1966年年 高錕高錕在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室建立在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室建立光光纖通信纖通信的物理模型。研究成果成為光通信和的物理模型。研究成果成為光通信和激光光電子學(xué)的重大里程

6、碑。激光光電子學(xué)的重大里程碑。1981年年A.Schawlow和和N.Bloembergen榮獲榮獲1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)谡盟麄冊(cè)诩す夤庾V學(xué)激光光譜學(xué)方方面的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。面的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。1997年年 朱棣文，朱棣文，C.Cohen-Tannoudji和和W.Phillips獲得諾貝爾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)谖锢韺W(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)诩す獠东@和冷卻原子激光捕獲和冷卻原子領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究成果。成果。1999年年 A. Zewail獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，表彰獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，表彰他在他在飛秒化學(xué)飛秒化學(xué)領(lǐng)域所做出的卓越貢獻(xiàn)。領(lǐng)域所做出的卓越貢獻(xiàn)。2005

7、年年 J.L.Hall和和T.Hansch榮獲榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)谥Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)诰芫芗す夤庾V激光光譜分析所做出的貢獻(xiàn)，以及分析所做出的貢獻(xiàn)，以及發(fā)明發(fā)明飛秒飛秒“光學(xué)頻率梳技術(shù)光學(xué)頻率梳技術(shù)”，使，使光學(xué)頻率測(cè)量獲得重大進(jìn)展。光學(xué)頻率測(cè)量獲得重大進(jìn)展。2005年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)同時(shí)頒發(fā)給年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)同時(shí)頒發(fā)給R.J.Glauber，以表彰，以表彰他對(duì)他對(duì)量子光學(xué)量子光學(xué)的貢獻(xiàn)。的貢獻(xiàn)。高錕高錕分享了分享了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在光纖通光纖通信信研究中做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。研究中做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。22,EN11,E N21h

8、EE自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射受激吸收受激吸收21hEE21hEE光與物質(zhì)相互作用光與物質(zhì)相互作用自發(fā)輻射自發(fā)輻射21212dNA N dtA21自發(fā)輻射系數(shù)自發(fā)輻射系數(shù)受激輻射受激輻射受激吸收受激吸收12121dNB Ndt21212dNB NdtB21受激輻射系數(shù)受激輻射系數(shù)B12受激吸收系數(shù)受激吸收系數(shù)22,EN11,E N21hEE21hEE21hEE單位體積，單位體積，dt時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，自發(fā)輻射的粒子數(shù)自發(fā)輻射的粒子數(shù)單位體積，單位體積，dt時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，受激輻射的粒子數(shù)受激輻射的粒子數(shù)單位體積，單位體積，dt時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，受激吸收的粒子數(shù)受激吸收的粒子數(shù)A21, B21

9、與與B12統(tǒng)稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)統(tǒng)稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)光能密度愛(ài)因斯坦系數(shù)的關(guān)系愛(ài)因斯坦系數(shù)的關(guān)系 (A21, B21與與B12)T考慮一個(gè)達(dá)到熱平衡的空腔系統(tǒng)考慮一個(gè)達(dá)到熱平衡的空腔系統(tǒng)組成腔壁的粒子吸收和發(fā)射的光子數(shù)相等組成腔壁的粒子吸收和發(fā)射的光子數(shù)相等空腔中的輻射場(chǎng)將有一個(gè)穩(wěn)定的分布空腔中的輻射場(chǎng)將有一個(gè)穩(wěn)定的分布各能級(jí)粒子數(shù)符合玻爾茲曼分布各能級(jí)粒子數(shù)符合玻爾茲曼分布33/811hv kThvce普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射公式:空腔中頻率為空腔中頻率為的光能密度的光能密度3213218AhvBc121212B gB g組成腔壁的粒子吸收和發(fā)射的光子數(shù)相等組成腔壁的粒子吸收和發(fā)射的光子數(shù)

10、相等21dN21dN12dN212A N dt212B Ndt121B Ndt21/1212121211hv kTAB gBeB g211212121211ABNBBN/2211hv kTNgeNg各能級(jí)粒子數(shù)符合玻爾茲曼分布各能級(jí)粒子數(shù)符合玻爾茲曼分布激光的產(chǎn)生受激輻射強(qiáng)于受激吸收受激輻射強(qiáng)于自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射受激吸收受激吸收22,EN11,E N21hEE21hEE21hEE21212dNA N dt12121dNB Ndt21212dNB Ndt粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射強(qiáng)于受激吸收受激輻射強(qiáng)于受激吸收受激輻射強(qiáng)于自發(fā)輻射受激輻射強(qiáng)于自發(fā)輻射21221212211

11、2121121121B NdtdNB NN gdNB NdtB NN g2211gNNg32122121321212218B NdtBdNcdNA N dtAhv（諧振腔）（諧振腔）增大增大激光是遠(yuǎn)離熱平衡的系統(tǒng)激光是遠(yuǎn)離熱平衡的系統(tǒng)工作物質(zhì)工作物質(zhì)激勵(lì)裝置激勵(lì)裝置激光輸出激光輸出反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡激光器的分類：運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)激光器和脈沖激光器工作物質(zhì)：固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體激光器激勵(lì)方式：光激勵(lì)，放電激勵(lì)激光的特性激光的特性: 高亮度高亮度, 單色性單色性, 方向性，方向性， 和相干性和相干性激光科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速激光科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速,涉及多個(gè)學(xué)科涉及多個(gè)學(xué)科,如光譜學(xué)如光譜學(xué),

12、 材料學(xué)材料學(xué),醫(yī)學(xué)等等醫(yī)學(xué)等等.激光的廣闊應(yīng)用激光的廣闊應(yīng)用: 激光在加工激光在加工,測(cè)距測(cè)距,光通訊和核聚變光通訊和核聚變 等方面都有重要的應(yīng)用等方面都有重要的應(yīng)用.縱?？v模/2qqcL12qqqcL2qqL駐波駐波腔長(zhǎng)腔長(zhǎng)L沿軸線方向（即縱向）形成的駐波場(chǎng)即為激光的縱模。沿軸線方向（即縱向）形成的駐波場(chǎng)即為激光的縱模?？v模頻率縱模頻率相鄰縱模頻率間隔相鄰縱模頻率間隔 橫模橫模：腔內(nèi)電磁場(chǎng)在垂直于其傳播方向的橫向面內(nèi)存在穩(wěn)：腔內(nèi)電磁場(chǎng)在垂直于其傳播方向的橫向面內(nèi)存在穩(wěn)定的場(chǎng)分布，通常稱為橫模。定的場(chǎng)分布，通常稱為橫模。 激光的激光的橫模橫模，實(shí)際上就是諧振腔所允許的（也就是在腔內(nèi)，實(shí)際上就

13、是諧振腔所允許的（也就是在腔內(nèi)來(lái)回反射，能保持穩(wěn)定不變的）光場(chǎng)的各種橫向分布。來(lái)回反射，能保持穩(wěn)定不變的）光場(chǎng)的各種橫向分布。光的放大增益光的放大增益光能密度光能密度 nh2121()dnNNBdtdzcdt/ 2GGIc光強(qiáng)光強(qiáng) 單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)增加為：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)增加為：212111()zdIGNNB hI dzc 光強(qiáng)放大的增益：光強(qiáng)放大的增益：光場(chǎng)的增益：光場(chǎng)的增益：1zdIGI dz 非均勻加寬非均勻加寬 均勻加寬均勻加寬 2201( )2()(/ 2)Lg 202 ln 2( )exp () 4ln 2GDDg兩種典型的線型兩種典型的線型洛倫茲線型洛

14、倫茲線型 高斯線型高斯線型D均勻加寬的譜線寬度均勻加寬的譜線寬度 多普勒線寬多普勒線寬 考慮譜線線型考慮譜線線型() 221212()( )8zcGNNA g vv 2121vdINNhv Bg v dvdz( )g歸一化的譜線線型函數(shù)歸一化的譜線線型函數(shù)單色光單色光3213218AhvBc2121()dINNB hdz221224zscGNNvvt 22122ln24zD scGNNvv t vvg2)(01/202 ln2()Dg vv對(duì)中心頻率，有對(duì)中心頻率，有洛倫茲線型洛倫茲線型 高斯線型高斯線型21(1/)stA洛倫茲線型洛倫茲線型 高斯線型高斯線型21DNN21()()dndncc

15、 NN nWDndtdz21()dnn NNdz221212/()( )8zcGNNA g vv21()dII NNdz受激輻射截面受激輻射截面光子數(shù)隨時(shí)間的變化光子數(shù)隨時(shí)間的變化3212( )8cWcA g vv受激輻射速率受激輻射速率反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)1zdIGI dz 腔的損耗、腔的損耗、Q值、壽命值、壽命 12RRR舉例：若二反射鏡的反射率為舉例：若二反射鏡的反射率為 單程時(shí)間為單程時(shí)間為 /L c(1)/tcRL 平均單位時(shí)間內(nèi)的光強(qiáng)損耗平均單位時(shí)間內(nèi)的光強(qiáng)損耗 tdnndt 光子數(shù)隨時(shí)間的變化光子數(shù)隨時(shí)間的變化/00tctt tnn en e其中其中1/ctt稱為腔的壽命稱為腔的

16、壽命 1/ (1)cttL cR諧振腔的諧振腔的 Q值為值為 /ctQt （品質(zhì)因數(shù)）（品質(zhì)因數(shù)） 自激條件自激條件zG光強(qiáng)的增益為光強(qiáng)的增益為L(zhǎng)l 令工作物質(zhì)長(zhǎng)度等于腔長(zhǎng)，即令工作物質(zhì)長(zhǎng)度等于腔長(zhǎng)，即1R2R反射鏡反射鏡1M2M的反射率為的反射率為i是腔內(nèi)的損耗是腔內(nèi)的損耗 10exp() ziIIGL1M2M220exp2() ziIR IGL3120exp2() ziIR R IGL為了實(shí)現(xiàn)振蕩，要求為了實(shí)現(xiàn)振蕩，要求 30II1200exp2()ziR R IGLI 即即自激條件：自激條件：1K21RRexp2() ziKGL其中其中激光器的臨界條件：激光器的臨界條件：12exp2()

17、 1ziR RGL 1211ln()2zizGLR R當(dāng)當(dāng)121RRR時(shí)時(shí)ln1RR(1)/zizGRL激光器的臨界條件的意義是增益等于損耗激光器的臨界條件的意義是增益等于損耗221224zscGNNvvt (1)/zizGRL2221241()()sccivvtRDNNcL臨界條件臨界條件均勻加寬線型中心頻率對(duì)應(yīng)的增益均勻加寬線型中心頻率對(duì)應(yīng)的增益臨界反轉(zhuǎn)粒子數(shù)臨界反轉(zhuǎn)粒子數(shù)6.激光器的模式選擇選擇橫模選擇橫模減少反射鏡的有效半徑減少反射鏡的有效半徑腔內(nèi)加光闌腔內(nèi)加光闌傾斜腔鏡傾斜腔鏡 要從激光的許多模中選出一個(gè)來(lái)，就要求所選定的那個(gè)要從激光的許多模中選出一個(gè)來(lái)，就要求所選定的那個(gè)模的損失盡

18、可能的低，而增加一切其它模的損失使之超過(guò)增模的損失盡可能的低，而增加一切其它模的損失使之超過(guò)增益以致不能達(dá)到閾值。益以致不能達(dá)到閾值。 高階橫模高階橫模有隨著橫模技術(shù)的增大而越來(lái)越少地沿著共振有隨著橫模技術(shù)的增大而越來(lái)越少地沿著共振腔軸集中的徑向場(chǎng)分布。腔軸集中的徑向場(chǎng)分布。選擇縱模選擇縱?？s短腔的長(zhǎng)度縮短腔的長(zhǎng)度12qqqcL相鄰縱模頻率間隔相鄰縱模頻率間隔減小腔長(zhǎng)可以增大縱模間隔。減小腔長(zhǎng)可以增大縱模間隔。組合干涉腔限制縱模組合干涉腔限制縱模1223()/()/. ,LLqLLmm q為整數(shù) 利用壓電元件可使鏡利用壓電元件可使鏡M3移動(dòng)幾個(gè)移動(dòng)幾個(gè)um，以實(shí)現(xiàn)諧，以實(shí)現(xiàn)諧振腔振腔M1-M2和選頻腔和選頻腔M2-M3的共振耦合，共振條件的共振耦合，共振條件是是脈沖尖峰結(jié)構(gòu)脈沖尖峰結(jié)構(gòu)7. 脈沖激光器脈沖激光器反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)光子數(shù)光子數(shù)調(diào)調(diào)Q激光器基本原理激光器基本原理增益tQ開(kāi)關(guān)損耗光強(qiáng)電光調(diào)電光調(diào)QIsT可飽和吸收染料可飽和吸收染料Q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)鎖模激光器原理鎖模激光器原理當(dāng)振蕩的激光器包含了許多縱模，且縱模間無(wú)固定的相當(dāng)振蕩的激光器包含了許多縱模，且縱模間無(wú)固定的相位關(guān)聯(lián)。位關(guān)聯(lián)。鎖模激光器原理鎖模激光器原理1ll不同縱模間相位鎖定不同縱模間相位鎖定主動(dòng)鎖模激光器示意圖主動(dòng)鎖模激光器示意圖全反鏡全反鏡調(diào)制器調(diào)制器工