高等激光技術1

<高等激光技術>中國科學技術大學物理學院光學與光學工程系王聲波137055115450551-63601074sbwang@科大東區(qū)物理樓621B室課程說明課程內容:激光原理+激光技術+激光器件+激光應用教學主要參考書：1《激光原理》陳鈺清，王靜環(huán)編著，浙江大學出版社；2《激光技術》藍信鉅等編著，科學出版社;3《激光器件》周廣寬等編著，西安電子科技大學出版社；4《現(xiàn)代激光工程應用技術》，朱林泉等編著，國防工業(yè)出版社?；蚱渌魏闻c激光原理、技術相關的書籍。課程要求：以課堂授課內容為主，要求掌握基本概念、基本物理過程和相關的基本技術方案。對于復雜公式及其推導不做要求。課程學時:總學時：80學時,周學時:5學時(周一:6、7、8（下午2：00-4：00），,周四1、2),共16周,其中第16周開始,復習考試.授課方式:PPT+板書補充課程考核方式:總成績=平時成績（課程論文20%~40%）+期末考試成績（80%~60%)。會給出思考題和習題。課程內容序第一章

激光的物理基礎第二章工作物質的增益特性第三章光學諧振腔及其模特性第四章激光器振蕩、輸出特性第五章激光調Q原理與技術第六章激光鎖模原理與技術

第七章典型激光器第八章激光選模、調諧、穩(wěn)頻技術第九章激光放大技術第十章激光束空間變換技術第十一章激光非線性頻率變換技術第十二章激光參數(shù)測量技術第十三章激光應用技術序激光是什么？激光是一種光源，與原子能、半導體和計算機一起被稱為20世紀的四大發(fā)明。其應用幾乎滲透到所有的領域。光：是一種物質存在，具有波動(光波)和粒子(光子)二象特性。光可作為信息載體和能量載體。單光子能量：?=hν；光源發(fā)出光束的（單色）亮度B：B=E/(?T?S?Ω?ν)；

光源發(fā)出光束的光子簡并度

：總光子數(shù)/光子運動狀態(tài)數(shù)（或光波模式數(shù)）=n/g光子簡并度和亮度的關系：=Bλ2/(2hν)光束功率：P=E/?T;光束強度（光強）：I=E/（?T?S）=P/?S=B?Ω?ν

激光的產(chǎn)生過程是光與物質相互作用的過程。激光光源的發(fā)光機制，不同于一般光源的發(fā)光機制，其根本區(qū)別在于：前者是受激輻射發(fā)光，后者是自發(fā)輻射發(fā)光；前者各粒子之間發(fā)光是相干的，后者各粒子之間發(fā)光是互不相干的。激光:是一種特殊的光，是由粒子（原子、分子、離子等）系統(tǒng)（工作物質）的受激輻射光放大過程所產(chǎn)生的高亮度相干光；是受激輻射過程超過受激吸收過程和自發(fā)輻射過程而占優(yōu)勢所產(chǎn)生的光放大；是能量在時間、空間、方向、頻率上高度集中的光。其亮度B或光子簡并度極高。具體體現(xiàn)在有好的方向性、好的單色性、高階相干性等特性。

受激輻射過程產(chǎn)生的光超過受激吸收過程吸收的光，要求：實現(xiàn)激光上下能級粒子數(shù)反轉。即要有合適能級結構的粒子系統(tǒng)（工作物質）和提供輸入能量的浦泵抽運源；受激輻射過程產(chǎn)生的光超過自發(fā)輻射過程發(fā)出的光，要求：光子簡并度大于1。即提高光子數(shù)，減少模式數(shù)。需要光學諧振腔。激光器：工作物質，諧振腔，浦泵抽運源；激光產(chǎn)生條件：1、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；2、滿足閾值條件，即增益大于損耗。

光學諧振腔工作物質泵浦抽運系統(tǒng)

激光的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀早期。由愛因斯坦于1917年首先提出了受激輻射的概念,并指出,這種輻射的顯著特性是輻射的頻率、傳播方向、和偏振狀態(tài)都與誘導的光波相同。顯然，如果光源的發(fā)光是以受激輻射為主，那么光源的亮度、單色性和相干性便會有飛躍的提高。而且他將物質發(fā)光和光與物質相互作用關聯(lián)起來，將受激輻射、受激吸收、自發(fā)輻射三個過程有機地聯(lián)系起來，推導出著名的愛因斯坦關系式。但是當時沒有引起重視。主要因為：1、當時科學家們的興起集中在光譜技術的發(fā)展，其豐富了原子、分子結構知識，成為靈敏的化學成分分析技術；2、當時實際光源中受激輻射成分極其微小，難以觀測。[Einstein,A.,”DieQuantemTheoriederstrahlung”,Phys.,Leit.,18,121(1917)],

入射光hν=E2-E1原子吸收入射光子

并躍遷至高能級

受激吸收

hν=E2-E1

hν=E2-E1

入射光hν=E2-E1受激輻射

實際上，激光是在無線電電子學技術的發(fā)展推動下的產(chǎn)物。直接的原因：是二戰(zhàn)時期，由于無線電通訊的軍事需要，對于“低噪聲信號發(fā)生器”的研究，以期獲得強相干、短波長λ(高頻率ν,接近光波段）的電磁輻射源。這是因為:1、ν越大，可攜帶的訊息量越大；2、ν越大，可利用的頻率范圍（帶寬）越大；3、ν越大，發(fā)射效率越高；4、ν越大，其方向性及空間分辯率越高。然而在無線電電子學技術中，是依據(jù)電子學組件（電子管或半導體晶體管）中載流子（或自由電子）的空間狀態(tài)的改變來交換能量而發(fā)射電磁波的，其發(fā)射頻率受能量交換速度的限制，不能實現(xiàn)接近光波段（1微米量級）的強相干電磁波。在光波段，傳統(tǒng)的在無線電波段行之有效的電子學技術都已無效。

直到1954年，美國的湯斯(C.H.Townes)小組和前蘇聯(lián)的普羅霍羅夫(A.M.Prokhorov)、巴索夫(N.G.Basov)小組幾乎同時，利用新的物理機制---受激輻射過程，用氨分子（NH3）的微波躍遷（波長11.06微米，12.08微米，12.28微米，81.5微米等），實現(xiàn)了微波段的受激輻射放大，研制成功微波量子放大器，即Maser,MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。（Gordon,J.P.,H.J.ZeigerandC.H.Townes,”MolecularmicrowaveoscillatorandnewhyperfinestructureinthemicrowavespectrumofNH3”,Phys.Rev.,95,282(1954);N.G.BasovandA.M.Prokhorov,”Applicationofmolecularbeamstotheradiospectroscopicstudyoftherotationspectrumofmolecules”,J.expt.Theoret.Phys.(USSR),27,431(1954).湯斯、普羅霍羅夫、巴索夫三人因此獲得1964年度諾貝爾物理學獎。并由此形成了一個新的學科分支---量子電子學。

Maser研制成功后,很多科學家致力于將該技術擴展至光波段。其中最具代表的是1958年肖洛（A.L.Shawlow)和湯斯(C.H.Townes)發(fā)表的文章”Infraredandopticalmaser”(Phys.Rev.,112,1940(1958)).在該文中,他們提出并詳細討論了在光頻區(qū)或近光頻區(qū)實現(xiàn)”maser”的可能性、原理及實現(xiàn)途徑（實驗方案）。在1960年5月17日，美國休斯公司的邁曼（又稱梅曼，T.H.Maiman)成功運轉了世界上第一臺激光器----脈沖自由運轉的紅寶石激光器(波長694.3nm納米)。(Maiman,T.H.,”StimulatedOpticalradiationinruby”,Nature,187,493(1960)。Laser---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

此后至今,應用于不同方面的成千上萬種激光器被發(fā)明出來。1960年，紅寶石Cr3+:Al2O3激光器;1961年,He-Ne,CO2激光器;1964年,Ar+,Nd3+:YAG激光器;1966年,染料Dye可調諧激光器;1971年,N2激光器;1975年,半導體激光器CWDiodelaser;1977年,半導體量子阱激光器;1980年,KrF準分子激光器;1984年,X-raylaser;1987年,LDpumpedNd3+:YAG激光器;1989年,Ti:sapphire鈦寶石激光器;1992年,Ti:sapphire鈦寶石自鎖模飛秒fs激光器;1997年到4.5fs;….

1961年11月,我國第一臺紅寶石激光器研制成功。由中國科學院長春光機所（上海光機所）、北京物理所、北京電子所合作完成。Laser---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，中文名稱：早期：萊塞，鐳射，光量子放大器，受激光放大器等。1964年12月錢學森建議使用“激光器”“激光”中文名稱。激光—由粒子（原子、分子、離子等）系統(tǒng)（工作物質）的受激輻射光放大過程所產(chǎn)生的高亮度相干光；是受激輻射過程超過受激吸收過程和自發(fā)輻射過程而占優(yōu)勢所產(chǎn)生的光放大；廣義激光—由受激輻射機制所產(chǎn)生的高亮度相干光以及在此基礎上通過其與物質相互作用產(chǎn)生的各種高亮度相干光。

激光的出現(xiàn)意義在于：1、使無線電電子學技術與光學技術有機聯(lián)系起來：電子學---光子學-----光電子學無線電通訊---光通訊雷達---激光雷達電子學測距-----激光測距制導----激光制導集成電路---集成光學電纜---光纜電子計算機---光計算機（正在攻關）………….

2、使光源在亮度與相干性上獲得了突破，給傳統(tǒng)的光學技術注入了新的強大的生命力。光源發(fā)出光束的（單色）亮度B：B=E/(?T?S?Ω?ν)；E，?T，?S，?Ω

，?ν。光能量在時間、空間、頻率上高度集中。在激光器中采用相關的激光技術，通過極大地減少光波模式數(shù)或光子運動狀態(tài)（量子狀態(tài)）數(shù)來實現(xiàn)光能量在時間、空間、頻率上高度集中。第一章激光的物理基礎

---一些基本概念的回顧和引入第一節(jié)光波的模式或光子的運動狀態(tài)（量子狀態(tài)）第二節(jié)光子簡并度第三節(jié)光的自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射和愛因斯坦關系式第四節(jié)激光的產(chǎn)生和激光的基本特性第一節(jié)光波的模式或光子的運動狀態(tài)（量子狀態(tài)）一、光波的模式（波動觀點）光的波動觀點認為，光是電磁波，可用光電場強度矢量表達一束光的特性，即E(P,t,ν)。把每一個能代表場振動的分布叫做電磁場(光波)的一種模式(或稱一種波型),場的不同本征振動狀態(tài)表示為不同的模式。在光頻區(qū),一種光波模式代表麥克斯韋方程組的一個特解，代表具有一定偏振、一定傳布方向、一定頻率和一定壽命的光波。一般的光場可以表示成各種不同模光場的線性組合。光波模式數(shù)的估算：在頻率為ν---ν+?ν范圍內，空間體積為V的各向同性介質中,可能存在的光波模式數(shù).(物理上不可區(qū)分的)

(1)、頻率一定，偏振一定，因傳播方向不同可能存在的模式數(shù)目

以平面波為例：任何兩個模式的光束在方向上必須至少相差一個平面波的衍射角才能分辯開來。要求：

一束光在R處所張的立體角：衍射極限角=夫朗和費圓孔衍射的愛理斑所張的角度:

在整個空間4π立體角內，在單位通光面積中科分辨的模式數(shù)為：(2)、傳播方向一定，偏振一定，因頻率不同，可能存在的模式數(shù)目

（在范圍內可能存在的模式數(shù)）

可區(qū)分的單個波列長度：

（3）考慮兩個獨立偏振，×2.

綜上所述：在單位體積中，頻率為范圍內，因傳播方向、頻率以及偏振狀態(tài)的不同，可能存在的模式數(shù)為：

二、光子的運動狀態(tài)（粒子觀點）光子的基本特性1、光子能量ε=hν,普朗克常數(shù)h=6.626*E(-34)J.s.2、光子運動質量m=ε/c2=hν/c2(愛因斯坦質能關系)靜止質量m0=03、光子的動量P與單色平面光波的波矢k對應，P=mcn0=(hν/c)n0=hk,n0為光子運動方向上的單位矢量;4、光子具有兩種可能的偏振狀態(tài)，對應于光波場的兩個獨立的偏振方向；5、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)；符合玻色--愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律；不受泡利不相容原理限制。

光子的運動狀態(tài)數(shù)的估算:在頻率為ν---ν+?ν范圍內，空間體積為V的各向同性介質中,可能存在的光子的運動狀態(tài)數(shù).(物理上不可區(qū)分的)由測不準原理所限制.由光子統(tǒng)計理論，光子的運動狀態(tài)不能用相空間中的一點來表示。

球殼內可能有的光子狀態(tài)數(shù)：(2)、考慮兩種獨立偏振態(tài)，×2，

第二節(jié)光子簡并度一、定義式：光源發(fā)出光束的光子簡并度δ：總光子數(shù)/光子運動狀態(tài)數(shù)（或光波模式數(shù)）即δ=n/g二、熱光源的光子簡并度δ三、光子簡并度和光源亮度的關系：δ=Bλ2/(2hν)四、黑體輻射的普朗克公式

一、定義式：光源發(fā)出光束的光子簡并度δ：總光子數(shù)/光子運動狀態(tài)數(shù)（或光波模式數(shù)）即δ=n/g（1）、同一光子態(tài)內的光子數(shù)；（2）、同一光波模式內的光子數(shù)。

二、熱光源的光子簡并度δ熱光源，在熱平衡時，發(fā)光粒子系統(tǒng)各能級的粒子數(shù)分布遵循玻爾茲曼分布：

三、光子簡并度和光源亮度的關系：

四、黑體輻射的普朗克公式

空腔黑體在熱平衡下，發(fā)射的光子遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律：

第三節(jié)光的自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射和愛因斯坦關系式一、光的自發(fā)輻射二、受激吸收三、受激輻射四、愛因斯坦關系式五、三過程躍遷幾率之間的關系六、如何使得受激輻射過程超過自發(fā)輻射和受激吸收只考慮共振躍遷，粒子在能級間的躍遷和光子的吸收或發(fā)射是一一對應的關系，即單光子過程。線性光學范疇。一、光的自發(fā)輻射

入射光hν21=E2-E1原子吸收入射光子

并躍遷至高能級

二、受激吸收

hν21=E2-E1

hν21=E2-E1

入射光hν21=E2-E1

三、受激輻射

四、愛因斯坦關系式

愛因斯坦在分析空腔黑體熱平衡狀態(tài)時，認為上述三種過程同時出現(xiàn)，滿足：單位時間內物質輻射的光子數(shù)=單位時間內被物質吸收的光子數(shù)（相應的粒子數(shù)變化也相等）

五、三種過程躍遷幾率之間的關系

六、如何使得受激輻射過程超過自發(fā)輻射和受激吸收

激光:是一種特殊的光，是由粒子（原子、分子、離子等）系統(tǒng)（工作物質）的受激輻射光放大過程所產(chǎn)生的高亮度相干光；是受激輻射過程超過受激吸收過程和自發(fā)輻射過程而占優(yōu)勢所產(chǎn)生的光放大；（1）、受激輻射過程產(chǎn)生的光>受激吸收過程吸收的光

（2）、受激輻射過程產(chǎn)生的光>自發(fā)輻射過程產(chǎn)生的光

第四節(jié)激光的產(chǎn)生和激光的基本特性一、激光產(chǎn)生的條件和激光器的組成部分及其作用二、光的受激放大和增益系數(shù)三、激光的振蕩和閾值條件四、激光光束的基本特性一、激光產(chǎn)生的條件和激光器的組成部分及其作用

受激輻射過程產(chǎn)生的光超過受激吸收過程吸收的光，要求：實現(xiàn)激光上下能級粒子數(shù)反轉。即要有合適能級結構的粒子系統(tǒng)（工作物質）和提供輸入能量的浦泵抽運源；受激輻射過程產(chǎn)生的光超過自發(fā)輻射過程發(fā)出的光，要求：光子簡并度大于1。即提高光子數(shù)，減少模式數(shù)。需要光學諧振腔。

激光器的基本組成及其作用：1、工作物質（增益介質，激活介質）：提供放大作用，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結構，同時在激光形成和振蕩過程中，由于介質的增益飽和特性，可以改善激光光束的基本特性；通常采用三能級結構或四能級結構2、光學諧振腔：使受激輻射的光能夠在光學諧振腔內維持振蕩，即提供對光的來回放大、正反饋，同時由于其存在選擇性損耗而具有限模作用，大大減少激光束的模式；3、泵浦抽運源：從外界提供能量，使激光上下能級之間實現(xiàn)集居數(shù)反轉。（電、光、氣動、化學等抽運方式）

激光產(chǎn)生條件：1、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；2、滿足閾值條件，即增益大于損耗。

二、光的受激放大和增益系數(shù)全反射鏡(強度透過率T1=0)工作物質

部分反射鏡(強度透過率T2=T)M1M2

增益系數(shù)

三、激光的振蕩和閾值條件1、激光振蕩工作物質+泵浦源---激光放大器；激光放大器+光學諧振腔（正反饋）---激光振蕩器；

同時考慮增益和損耗的作用：

2、閾值條件

激光產(chǎn)生條件：1、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；2、滿足閾值條件，即增益大于損耗。

第四節(jié)、激光光束的基本特性及描述1、空間特性2、頻率特性3、時間特性4、強度特性5、體現(xiàn)在方向性、單色性、相干性（高階相干性）

1、空間特性(激光光束空間分布）

激光束好的方向性來自于光學諧振腔中好的模式。橫模---相對穩(wěn)定的光場橫向空間分布。

L’=2fz1z=0

z1’z2’z2

L給出一類光學諧振腔（雙鏡穩(wěn)定球面鏡腔）的激光束場分布

已知

R1,R2,L值,可唯一解出一組z1,z2,f值.

當菲涅爾數(shù)F較大＞1，同時在共焦腔中心附近,其解為角向長橢球函數(shù)可以進一步簡化表示為厄米多項式(Hermitian)和高斯(Gauss)分布函數(shù)的乘積----厄米-高斯光束.

行波場：博伊德—戈登求出,腔內一點(x,y,z)的行波場為:

不同的m,n值,表示不同的相對穩(wěn)定的光場振幅(強度)分布,即不同的橫模,記為TEMmn模,m,n為橫模序數(shù)(或橫模指數(shù))。TEM00模---基橫?；蚧?，TEM01?；騎EM10模---低階模，其他---高階模。TEM00模---基橫?；蚧＃?/p>

x方向,m階,m個零點(節(jié)點),m條暗線,m+1個峰值y方向,n階,n個零點(節(jié)點),n條暗線,n+1個峰值光斑半徑:2πF越大,場越集中鏡面中心及其附近,越小,鏡邊緣場振幅漸增(衍射損耗增大);統(tǒng)一,高階模在鏡邊緣處的振幅比基模的大;近似解與精確解在鏡面中心及其附近符合較好.

基模高斯光束模體積

z1

z=-L'/2z'1'z=0z'2z=+L'/2z2

*圓形實對稱共焦球面鏡光學諧振腔中光場特性采用極坐標.在F值足夠大(且近軸近似),圓形實對稱共焦球面鏡光學諧振腔中自再現(xiàn)模在腔鏡上的場分布為締合拉蓋爾多項式和高斯函數(shù)的乘積--拉蓋爾-高斯光束.

其中(r,Ф)為鏡面上的極坐標，為Cpl歸一化常數(shù),L表示共焦腔的腔長，Lpl為締合拉蓋爾多項式TEMplq?；騆G模本征值:光斑具有圓對稱形式.p表示徑向(r方向)節(jié)線圓的數(shù)目;l表示角向(沿幅Ф方向)節(jié)線的數(shù)目;

基模TEM00q的光場分布也為高斯函數(shù):基模TEM00q在鏡面上光斑尺寸與方形鏡一樣:TEMplq在鏡面上光斑尺寸:諧振頻率:基模TEM00q的光場分布、發(fā)散角、在鏡面上光斑尺寸與方形鏡一樣；高階模兩個相鄰模瓣位相差π；同階次的兩個正交偏振模，可以合成為其他偏振模。

幾個典型的拉蓋爾-高斯光場分布

在實際的激光器中常有模式畸變和簡并現(xiàn)象，從而導致輸出光不是某一單一模式，而是兩個或多個模式的疊加，稱之為簡并模。在柱坐標系下，LG01（cos）和LG01（sin）是最低階拉蓋爾-高斯模式的兩個分量，這兩個模具有旋轉對稱性，其中一個模由另一個模繞中心軸旋轉90°而得到，兩個模式之間有π/2的相位差。兩個模式通過疊加可以得到一個空心橫模，稱為LG01*模（如圖所示）。

兩個模式簡并得到空心橫模（LG01*）

關于激光光束的方向性

二、激光光束的頻率特性1、由工作物質的增益線型來確定頻率范圍2、光學諧振腔（駐波腔）確定分立頻率3、光學諧振腔與工作物質共同作用（滿足閾值條件）

1、由工作物質的增益線型來確定頻率范圍

2、光學諧振腔（駐波腔）確定分立頻率

3、光學諧振腔與工作物質共同作用（滿足閾值條件）

頻率特性

頻率特性

三、激光束的時間特性連續(xù)波(CW)運轉,自由振蕩脈沖運轉,調Q脈沖運轉,鎖模脈沖運轉,

1、連續(xù)波運轉（CW運轉）連續(xù)泵浦，連續(xù)輸出，連續(xù)功率：P

2、脈沖運轉（1）、自由振蕩激光脈沖運轉a、單次泵浦對應的自由振蕩脈沖由一系列隨機的（峰值、脈寬、脈沖間隔等）尖峰脈沖所組成。

自由振蕩激光器時間特性----尖峰脈沖形成過程