激光基本原理PPT課件

1、光電子技術(shù)Photoelectronic Technique 1.3 激光基本原理主講：周自剛 助教：范宗學(xué)1、光子的基本性質(zhì)一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、能量：2、質(zhì)量：3、動(dòng)量： 光子，是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子（傳遞基本相互作用的媒介粒子，自旋都為整數(shù)）。原始稱呼是光量子（light quantum)，電磁輻射的量子，傳遞電磁相互作用的規(guī)范粒子，記為。4、兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)1、光子的基本性質(zhì)一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！5、有自旋，量子數(shù)為整數(shù)，大量光子的集合服從玻色愛因斯坦分布對(duì)單光子自旋和軌道角動(dòng)量的量子隱形傳態(tài)過(guò)程的圖片展示 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘

2、建偉研究小組在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。2月26日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊自然雜志以封面標(biāo)題的形式發(fā)表了這一最新研究成果。二、光的粒子性和波動(dòng)性的統(tǒng)一：量子電動(dòng)力學(xué)的理論，將電磁場(chǎng)量子化1、電磁場(chǎng)的本征模式：具有基元能量 和基元?jiǎng)恿?的物質(zhì)單元即屬同一本征模式的光子2、具有相同動(dòng)量和相同能量的光子彼此不可區(qū)分，屬同一模式（狀態(tài)）3、處于同一模式或狀態(tài)的腔內(nèi)光子數(shù)目是沒有限制的4、任意電磁場(chǎng)可以看作一系列單色平面波或本征模式的線性疊加三、光波模式波動(dòng)性1、麥?zhǔn)戏匠痰慕馓亟猓簡(jiǎn)紊矫娌ㄍń猓阂幌盗袉紊矫娌ǖ寞B加2、自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可以存在!3、受邊界條件限制空

3、間的電磁波：一系列獨(dú)立的具有特定波矢 的平面單色駐波。即只允許駐波光模式存在！4、光波模式：能存在于腔內(nèi)的以波矢 為標(biāo)志的電磁波模式。同一 又由于對(duì)應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)，則同一波矢 對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同偏振方向的光波模式。5、體積為V 的空腔中的光波模式數(shù)（1）設(shè)：在x、y、z三方向應(yīng)用駐波條件得：又因?yàn)椋簞t 的三個(gè)分量滿足：（2）光波模式的波矢空間表示波矢空間：以kx、ky、kz為直角坐標(biāo)系構(gòu)成的空間每一個(gè)光波模式對(duì)應(yīng)該空間的一個(gè)點(diǎn)每個(gè)光模在波矢空間所占體積為處于空腔單位體積內(nèi)，頻率位于 附近單位頻率間隔的光波模式數(shù)（光波模密度）為 在頻率很高的光頻波段，由于E1時(shí)，N2N1。表明在熱平衡狀態(tài)下高能級(jí)

4、上的粒子數(shù)布居總是小于低能級(jí)，且兩者的比例取決于體系的溫度。一般地，在熱平衡狀態(tài)下，幾乎所有的原子都處于最低能態(tài)基態(tài)。 兩個(gè)能級(jí)E1與E2上的粒子數(shù)布居之比： 在熱平衡狀態(tài)下氣體原子體系的粒子數(shù)布居滿足玻耳茲曼分布律：T：熱平衡溫度； Nn：能級(jí)En上的粒子數(shù)布居； k：玻耳茲曼常數(shù)。(1) 自發(fā)輻射 處于高能級(jí)上的原子，總是會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)上，伴隨輻射出一個(gè)頻率為n 的光子，稱為光的自發(fā)輻射。3.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收說(shuō)明：自發(fā)輻射是個(gè)隨機(jī)過(guò)程，處于高能級(jí)的各個(gè)原子隨時(shí)地、獨(dú)立地向低能級(jí)自發(fā)躍遷，所發(fā)射的光子形成一個(gè)個(gè)相位、偏振態(tài)和傳播方向均彼此無(wú)關(guān)的波列，因而是非相干的。 自

5、發(fā)輻射光子的能量和頻率分別滿足： 處于低能級(jí)上的原子，受到頻率為n的入射光照射時(shí)，有可能吸收一個(gè)光子的能量而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上，稱為光的受激吸收，且有 (2) 受激吸收3.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收處于E2能級(jí)上的原子，在受到頻率n 正好滿足hn=E2-E1的入射光子的作用時(shí)，有可能自所處E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)，并輻射一個(gè)同頻率的光子。 說(shuō)明： 與自發(fā)輻射不同，受激輻射光子與入射光子具有相同的模式，即 同頻率、同相位、同偏振態(tài)，因而是相干的。 受激輻射與受激吸收互為逆過(guò)程，兩者同時(shí)發(fā)生，同時(shí)存在。 (3) 受激輻射3.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射過(guò)程：原子體系單位時(shí)間內(nèi)從能

6、級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1的粒子總數(shù)只與E2上的粒子數(shù)布居N2成正比，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)，即 受激輻射過(guò)程：原子體系單位時(shí)間內(nèi)從始態(tài)到終態(tài)躍遷的粒子數(shù)，除了與始態(tài)上的粒子數(shù)布居有關(guān)外，還與能量等于兩能級(jí)差的入射光子數(shù)密度u(n)（輻射能譜密度）成正比，即 A21、B12、B21：愛因斯坦系數(shù)3.3 愛因斯坦公式 按照愛因斯坦的觀點(diǎn)，在熱平衡狀態(tài)下，原子體系在單位時(shí)間內(nèi)受激吸收的光子數(shù)應(yīng)等于自發(fā)輻射和受激輻射的光子數(shù)總和。即 由玻耳茲曼分布律得： 3.3 愛因斯坦公式比較兩式可得愛因斯坦公式： 說(shuō)明：愛因斯坦公式為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ) 由普朗克量子輻射公式可以證明： 3.3 愛因斯坦公式 當(dāng)頻率為n 的

7、光波通過(guò)具有能級(jí)差E2-E1=hn 的介質(zhì)時(shí)，將同時(shí)發(fā)生受激吸收和受激輻射。按愛因斯坦公式，dt時(shí)間內(nèi)，介質(zhì)單位體積受激吸收的光子數(shù)dN12與受激輻射的光子數(shù)dN21之比為 熱平衡狀態(tài)下：N2N1，dN21N1，dN21dN12。即高能態(tài)的粒子數(shù)布居大于低能態(tài)。意義：光波在處于粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)受激輻射的光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù)，宏觀效果表現(xiàn)為光放大或光增益。 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的必要條件 能夠造成粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激光介質(zhì)或增益介質(zhì) 3.4 粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)與光放大能級(jí)壽命t ：粒子能夠在某個(gè)能級(jí)上停留的平均時(shí)間。 由于自發(fā)輻射，能級(jí)E2上的粒子數(shù)

8、N2將隨時(shí)間減少，在dt內(nèi)的改變量： 意義：E2上粒子數(shù)N2的減少量與自發(fā)輻射幾率系數(shù)A21的大小有關(guān)，經(jīng)過(guò)t=1/A21時(shí)間后，將減少到初始值的1/e。所謂能級(jí)壽命實(shí)際上就是指在該能級(jí)上的粒子數(shù)減少到初始值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。 3.5 能級(jí)壽命說(shuō)明：若在能級(jí)E2以下有若干個(gè)低能級(jí)，則能級(jí)E2的壽命應(yīng)等于該能級(jí)到各個(gè)低能級(jí)自發(fā)輻射幾率系數(shù)之和的倒數(shù)，即 結(jié)論：自發(fā)輻射系數(shù)越小，自發(fā)輻射的過(guò)程就越慢，粒子數(shù)在該能級(jí)的壽命就越長(zhǎng)，原子處在該狀態(tài)就越穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)：壽命特別長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)，可達(dá)10-31s。因原子的碰撞和外界干擾，能級(jí)的實(shí)際壽命要比其自然壽命短幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 3.5 能級(jí)壽命3.6 激光器

9、的基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射的兩個(gè)必備條件：受激輻射的產(chǎn)生和放大。激光器：能夠?qū)崿F(xiàn)受激輻射產(chǎn)生和放大的器件或裝置。激光振蕩器：具有一個(gè)光學(xué)諧振腔，由受激輻射產(chǎn)生的光在腔內(nèi)多次往返而形成持續(xù)的激光振蕩。激光放大器：自身不具有光學(xué)諧振腔，只能使來(lái)自其他激光器輸出的激光信號(hào)通過(guò)增益介質(zhì)而獲得單次或有限次的行波式放大。說(shuō)明：通常的激光器，一般指激光振蕩器，在某些情況下則是指由激光振蕩器和放大器組成的組合系統(tǒng)。增益介質(zhì) 激勵(lì)源 光學(xué)諧振腔說(shuō)明：僅有激勵(lì)源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔還不一定能輸出激光。只有使受激輻射的增益大于其損耗，才能使受激輻射在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射時(shí)，強(qiáng)度不斷增大，最后輸出激光。 激光器的基本結(jié)構(gòu)激

10、勵(lì)源光學(xué)諧振腔增益介質(zhì)激光輸出激光振蕩器的主要組成：3.6 激光器的基本結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)：激光器中產(chǎn)生受激輻射的物質(zhì)（又稱激活介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體等）。增益介質(zhì)的作用：激光器的核心放大入射光增益介質(zhì)條件：有一對(duì)能夠產(chǎn)生激光的能級(jí)，并且高能級(jí)應(yīng)有足夠長(zhǎng)的壽命，使得被激發(fā)到該能級(jí)上的粒子能滯留較長(zhǎng)時(shí)間，與低能級(jí)之間形成粒子數(shù)布居的反轉(zhuǎn)分布。(1) 增益介質(zhì)3.6 激光器的基本結(jié)構(gòu)激勵(lì)源的作用：供給增益介質(zhì)能量，以使其中處于基態(tài)的粒子獲得一定能量后被抽運(yùn)到高能態(tài)，形成兩個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。 說(shuō)明：激勵(lì)過(guò)程常被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)過(guò)程。為了不斷地得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”增益

11、介質(zhì)以維持其粒子數(shù)布居的反轉(zhuǎn)分布。 常用激勵(lì)方式：電泵浦、光泵浦、熱泵浦、化學(xué)泵浦等。 電激勵(lì)：用氣體放電的方法獲得具有一定動(dòng)能的電子，再由其進(jìn)一步激發(fā)介質(zhì)原子。 光激勵(lì)：用強(qiáng)光照射增益介質(zhì)（常用光激勵(lì)源：脈沖氙燈、脈沖激光器、半導(dǎo)體激光器等）。(2) 激勵(lì)源3.6 激光器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔：裝上在增益介質(zhì)兩端的一對(duì)反射率很高的反射鏡，結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。其中一個(gè)為全反射鏡，反射率接近100%；另一個(gè)為部分反射鏡，反射率約80%左右。 (3) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔的作用： 實(shí)現(xiàn)光的正反饋 對(duì)輸出光束的波長(zhǎng)進(jìn)行選擇高度單色性 使輸出光束的定向高度方向性3.6 激光器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)

12、諧振腔對(duì)激光束方向的選擇當(dāng)增益介質(zhì)產(chǎn)生的受激輻射到達(dá)兩端的反射鏡面時(shí)，將被再次反射回增益介質(zhì)，從而繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射。被進(jìn)一步放大的受激輻射在諧振腔中來(lái)回振蕩，同時(shí)不斷地誘發(fā)新的受激輻射，使之雪崩似地獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，并從部分反射鏡一端輸出。 工作原理：3.6 激光器的基本結(jié)構(gòu)二能級(jí)系統(tǒng)3.7 激光介質(zhì)中粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)由于B12=B21，最終只能達(dá)到兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)能級(jí)之間的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。3.7 激光介質(zhì)中粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)E3E1hn激勵(lì)E2無(wú)輻射躍遷B21B12A21三能級(jí)系統(tǒng)粒子被從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3，然后從E3態(tài)無(wú)輻射躍遷

13、到亞穩(wěn)態(tài)E2。隨著E1上的粒子數(shù)不斷減少，E2上的粒子數(shù)N2不斷增多。當(dāng)N2N1時(shí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。 四能級(jí)系統(tǒng)粒子被從基態(tài)E0抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3，然后通過(guò)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2。當(dāng)E1為非穩(wěn)態(tài)能級(jí)時(shí)，粒子經(jīng)受激輻射從E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)后，會(huì)很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷回到基態(tài)，極易實(shí)現(xiàn)E2和E1之間粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。 3.7 激光介質(zhì)中粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)E0抽運(yùn)E3E1hn激勵(lì)E2無(wú)輻射躍遷B21B12A213.8 增益系數(shù)及閾值條件 光束在諧振腔內(nèi)往返一次后的強(qiáng)度： 設(shè)激光器的增益系數(shù)為G，諧振腔腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩個(gè)反射鏡的強(qiáng)度反射率分別為R1、R2 ，光束的初始強(qiáng)度（z=0處）為I0 。增益介質(zhì)中

14、z處的光強(qiáng)度的增量： 增益介質(zhì)中z處的光強(qiáng)度： 即 增益要求： 產(chǎn)生激光的閾值條件（諧振腔必須達(dá)到的最小增益）： 說(shuō)明：由于各種因素的影響，激光器實(shí)際輸出的激光并不是理想單色的，而是具有一定的頻率寬度。通常給出的激光頻率只表示增益介質(zhì)粒子自高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生輻射的中心頻率。3.9 輻射線寬 輻射線寬：激光輻射的光譜范圍寬度。頻率增寬類型：自然增寬，碰撞增寬，多普勒增寬。 (2) 碰撞增寬 增益介質(zhì)中的粒子在激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命t 決定了自發(fā)輻射過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，有限的輻射波列長(zhǎng)度意味著該輻射不再是理想的單色輻射，而是具有一定的頻率展寬。說(shuō)明：能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，t 10-3s，故Dn為kHz數(shù)

15、量級(jí)或更小。 增益介質(zhì)中粒子間距離較小時(shí)，粒子間可能發(fā)生碰撞。碰撞可加速激發(fā)態(tài)粒子向低能級(jí)的躍遷，從而縮短能級(jí)的壽命，導(dǎo)致譜線進(jìn)一步加寬。自然線寬大小：說(shuō)明：對(duì)于氣體介質(zhì)，壓強(qiáng)較大時(shí)粒子碰撞的幾率增大，因而碰撞增寬的幾率也增大。 (1) 自然增寬3.9 輻射線寬 對(duì)于氣體介質(zhì)，由于粒子的熱運(yùn)動(dòng)，其輻射將因多普勒效應(yīng)而發(fā)生頻移。其中當(dāng)粒子向著探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，其輻射頻率將比靜止時(shí)增大，反之則減少。說(shuō)明：(3) 多普勒增寬增益介質(zhì)的輻射線寬往往是幾種增寬的綜合。但對(duì)于不同的增益介質(zhì)和工作條件，各種增寬的貢獻(xiàn)不同。如對(duì)于氦-氖激光器的623.8nm譜線，在室溫和約200Pa壓強(qiáng)下，碰撞增寬遠(yuǎn)大于自然線寬

16、，而多普勒增寬又比碰撞增寬大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，多普勒增寬起主要作用。 3.9 輻射線寬 光波在光學(xué)諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩的條件：滿足相長(zhǎng)干涉條件，形成駐波。 (1) 縱模 縱模：光場(chǎng)沿諧振腔縱向傳播的不同振動(dòng)模式不同頻率的駐波。 ， j=1, 2, 3, L: 為腔長(zhǎng)；n：激活介質(zhì)的折射率；j：腔內(nèi)的波腹數(shù)。3.10 激光的縱模和橫模 諧振腔滿足駐波條件的頻率成分：縱模間隔： 激光的縱模n0-n/2nn/2nL說(shuō)明：由駐波條件確定的頻率只是諧振腔允許的諧振頻率，其中只有落在增益介質(zhì)輻射線寬內(nèi)，并同時(shí)滿足閾值條件的那些諧振頻率，才能形成穩(wěn)定的激光。激光器輸出的頻率個(gè)數(shù)（縱模數(shù)）： 3.10 激光的縱模和橫模 橫模：諧振腔內(nèi)光場(chǎng)沿橫向的穩(wěn)定分布。意義：激光束在腔內(nèi)往返一個(gè)來(lái)回后能夠再現(xiàn)其自身的一種光場(chǎng)分布狀態(tài)，一般用TEMmn