第二講激光原理與選模

第二講激光原理與選模段作梁電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系現(xiàn)在是1頁\一共有41頁\編輯于星期四主要內(nèi)容一、激光歷史回顧二、激光原理簡述三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用四、激光模式的選擇

現(xiàn)在是2頁\一共有41頁\編輯于星期四激光技術(shù)、計算機技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù),并列為二十世紀最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強有力工具。與電子電力技術(shù)、自動化測控技術(shù)的完美結(jié)合，使激光技術(shù)能夠更好的為人類創(chuàng)造美好生活。

一、激光的歷史回顧現(xiàn)在是3頁\一共有41頁\編輯于星期四（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國于1961年研制出第一臺激光器，從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。光是（波長較短的）電磁波

“激光”（LASER）一詞是受激輻射光放大現(xiàn)在是4頁\一共有41頁\編輯于星期四50多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測與計量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在是5頁\一共有41頁\編輯于星期四該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的發(fā)明1971:DennisGabor,激光全息術(shù)1981:洛.布隆姆貝根,激光光譜學(xué)1997:朱隸文等三人,激光冷卻和陷俘原子

說明:朱隸文系美籍華人,1948年生于密蘇里州,其父臺灣中央研究院院士

2005：羅伊·格勞伯，對光學(xué)相干的量子理論的貢獻約翰·霍爾、奧多爾·漢斯：基于激光的精密光譜學(xué)研究現(xiàn)在是6頁\一共有41頁\編輯于星期四

授予在光學(xué)領(lǐng)域的理論和應(yīng)用方面做出貢獻的兩名美國人和一名德國人。他們是：哈佛大學(xué)羅伊·格勞伯（下圖左）、科羅拉多大學(xué)約翰·霍爾和德國路德維希-馬克西米利安大學(xué)特奧多爾·漢斯（下圖右）。格勞伯是因為“對光學(xué)相干的量子理論的貢獻”而獲獎，他的研究不僅為新興的量子光學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，他和其他科學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究成果，也有望在未來用于開發(fā)更加安全的通信加密技術(shù)。霍爾和漢斯獲獎是因為對基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展做出了貢獻，使“光梳”等技術(shù)的測量精度有望進一步提高，并將在很多領(lǐng)域找到用武之地。這些技術(shù)有望改進現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)，提高太空望遠鏡的觀測精度。另外，類似的超高精度測量技術(shù)，也可能應(yīng)用于研究物質(zhì)和反物質(zhì)的關(guān)系，以及用于檢測某些自然界常數(shù)可能產(chǎn)生的變化。2005年諾貝爾物理學(xué)獎現(xiàn)在是7頁\一共有41頁\編輯于星期四

二、激光原理簡述

按量子力學(xué)原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個定態(tài)之間進行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。光子與物質(zhì)原子相互作用過程中，存在三種類型的躍遷。即：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2現(xiàn)在是8頁\一共有41頁\編輯于星期四

如圖1-1所示，有一個原子開始時處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)——激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為原子吸收。值得注意的是，只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級之差時，光子才能被吸收。原子吸收

E1E3E2圖1-1原子吸收示意圖hvE1E3E2現(xiàn)在是9頁\一共有41頁\編輯于星期四

與經(jīng)典力學(xué)中的觀點類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短（數(shù)量級約為10-8s），之后，會自發(fā)地返回基態(tài)去，同時放出一個光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。原子在激發(fā)態(tài)的平均停留時間稱之為激發(fā)態(tài)的壽命。hv圖1-2自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射現(xiàn)在是10頁\一共有41頁\編輯于星期四自發(fā)輻射的特點：這種過程與外界作用無關(guān)。各原子的輻射都是獨立地進行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自發(fā)輻射?，F(xiàn)在是11頁\一共有41頁\編輯于星期四受激輻射處于激發(fā)態(tài)的原子，在其發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。如圖1-3所示。這一過程被稱為受激輻射。

Lightorlaser無輻射躍遷E1E2hvE1E2hvhv圖1-3受激輻射示意圖現(xiàn)在是12頁\一共有41頁\編輯于星期四hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖

這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個光子，可以得到兩個狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。圖1-4就是受激輻射光放大的示意圖。受激輻射的特點：現(xiàn)在是13頁\一共有41頁\編輯于星期四（1）選擇具有適當能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；（2）選擇一個適當結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。這些閾值條件大體包括：減少損耗，加快抽運速度，促進（粒子數(shù)）反轉(zhuǎn)等。像工作物質(zhì)的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。Lightorlaser無輻射躍遷產(chǎn)生激光的必要條件：現(xiàn)在是14頁\一共有41頁\編輯于星期四

1.單向性極好：普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布在全空間4立體角內(nèi)。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-5～10-8球面度。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴展為幾個厘米，而普通探照燈光束直徑則已經(jīng)擴展為幾十米。激光的單向性是由受激輻射原理和諧振腔的方向選擇作用所決定的。激光這種良好的單向性可用于定位、測距、導(dǎo)航等。

激光的特性：現(xiàn)在是15頁\一共有41頁\編輯于星期四

2.單色性極強：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，單色性最好的氪燈（86Kr）的譜線寬度為4.7×10-3納米。而氦氖激光器發(fā)射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。若從多模激光束中提取單模激光，再采取穩(wěn)頻技術(shù)措施，還可以進一步提高激光的單色性。利用激光良好的單色特性，可以作為計量工作的基準光源。例如，用單色、穩(wěn)頻激光器作為光頻計時基準，它在一年內(nèi)的計時誤差不超過1微秒，大大超過原子鐘的計時精度。圖1-5普通光源熒光光譜，譜線寬度約為：150nm600800400λnm熒光光譜現(xiàn)在是16頁\一共有41頁\編輯于星期四3.高亮度：光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時間內(nèi)沿單位立體角所發(fā)射的能量，普通光源的亮度相當?shù)?，例如，太陽表面的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不一定很高，但由于光束很細，光脈沖窄，光功率密度卻非常大。圖1-6理想鎖?？色@得窄脈沖激光現(xiàn)在是17頁\一共有41頁\編輯于星期四

由于激光光源使光能量在時間和空間上高度集中，因此，能在直徑極小的區(qū)域內(nèi)（10-3毫米）產(chǎn)生幾百萬度的高溫。從一個功率為1kw的CO2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦以后，在幾秒鐘內(nèi)就可以將5cm厚的鋼板燒穿。工業(yè)上利用激光高亮度的特性，在金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化等方面的應(yīng)用近年來有很大的發(fā)展?，F(xiàn)在是18頁\一共有41頁\編輯于星期四4.相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個厘米，而激光的相干長度則可以達到幾十公里，比普通光源大幾個數(shù)量級。因此也可以說激光具有非常好的相干性。用激光做光源進行光的干涉、衍射實驗，可以得到非常好的效果。另外，激光問世以來，推動了全息光學(xué)技術(shù)、激光光譜技術(shù)的發(fā)展。由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統(tǒng)光源的種種局限性，引起了現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性發(fā)展。同時促進了包括化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工與檢測技術(shù)、軍事等科學(xué)的迅速發(fā)展。

現(xiàn)在是19頁\一共有41頁\編輯于星期四激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵系統(tǒng)現(xiàn)在是20頁\一共有41頁\編輯于星期四實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：激勵源(泵浦或抽運)：用來實現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。有電激勵，光激勵，熱激勵，化學(xué)激勵等

激勵--從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程（又稱“激發(fā)”、“抽運”或“泵浦”）。

1）光泵抽運如紅寶石激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2E1E2現(xiàn)在是21頁\一共有41頁\編輯于星期四2）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學(xué)反應(yīng)如氟化氘激光器等。4）共振轉(zhuǎn)移如He--Ne激光器。--NeHe--NeHe--現(xiàn)在是22頁\一共有41頁\編輯于星期四三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用光腔的作用:

放大---使某一頻率的光多次往返傳播,激勵處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì),造成連鎖反應(yīng),以實現(xiàn)光放大.泵浦光輸出激光對激光100%反射有小部分激光透射選向---將傳播方向偏離光軸方向太多的光子淘汰掉,使得到的激光是一束方向性很好的光.選頻---反射鏡鍍上多層膜,膜厚度λ/4,使反射最強,形成穩(wěn)定振蕩并不斷加強,得到單色性好的激光現(xiàn)在是23頁\一共有41頁\編輯于星期四諧振腔的選擇：衍射損耗模體積腔體鏡面的安裝典型的激光器諧振腔諧振腔的種類：平行平面腔同心球面腔共焦諧振腔長半徑球面腔半球型諧振腔平凹穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔現(xiàn)在是24頁\一共有41頁\編輯于星期四平行平面腔結(jié)構(gòu)示意圖平行平面腔的優(yōu)勢:模體積大;腔內(nèi)激光輻射沒有聚焦現(xiàn)象平行平面腔的劣勢:鏡面調(diào)整難度高;衍射損耗高平行平面腔主要應(yīng)用于高功率脈沖激光器!!平行平面腔現(xiàn)在是25頁\一共有41頁\編輯于星期四同心球面腔結(jié)構(gòu)示意圖同心球面腔主要應(yīng)用于連續(xù)工作的染料激光器泵浦激光器.同心球面腔的優(yōu)勢:

衍射損耗低;易于安裝調(diào)整同心球面腔的劣勢:

模體積小;腔內(nèi)產(chǎn)生光輻射聚焦現(xiàn)象同心球面腔現(xiàn)在是26頁\一共有41頁\編輯于星期四

共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應(yīng)用于連續(xù)工作的激光器共焦諧振腔的性能介于平行平面腔與球面腔之間，其特點如下：

1）鏡面較易安裝、調(diào)整；2）較低的衍射損耗；3）腔內(nèi)沒有過高的輻射聚焦現(xiàn)象；4）模體積適度；共焦諧振腔現(xiàn)在是27頁\一共有41頁\編輯于星期四

長半徑球面腔示意圖長半徑球面諧振腔適于連續(xù)工作的激光器長半徑球面諧振腔的性能介于共焦腔與球面腔之間，它的特點如下：

1）中等的衍射損耗；2）較易安裝調(diào)整；3）模體積很大；4）腔內(nèi)沒有很高的光輻射聚焦現(xiàn)象；長半徑球面腔現(xiàn)在是28頁\一共有41頁\編輯于星期四半球型諧振腔半球型諧振腔主要應(yīng)用于低功率氦氖激光器半球型諧振腔的特點：

易于安裝調(diào)整、衍射損耗低、成本低

半球型諧振腔現(xiàn)在是29頁\一共有41頁\編輯于星期四平凹穩(wěn)定腔示意圖

平凹穩(wěn)定腔一般應(yīng)用與連續(xù)激光器；大多數(shù)情況下:R1

>2L平凹穩(wěn)定腔的特點：

模體積較大且具有價格優(yōu)勢平凹穩(wěn)定腔現(xiàn)在是30頁\一共有41頁\編輯于星期四連續(xù)高功率二氧化碳激光器的非穩(wěn)定諧振腔非穩(wěn)定腔現(xiàn)在是31頁\一共有41頁\編輯于星期四光腔的損耗幾何損耗衍射損耗腔鏡反射不完全引起的損耗非激活吸收散射等其他損耗選擇性損耗，與橫模有關(guān)非選擇性損耗，與光波模式無關(guān)損耗的大小是評價諧振腔的一個重要指標，在激光振蕩中，光腔的損耗決定了振蕩的閾值和激光的輸出能量，也是腔模理論的重要研究課題.光學(xué)諧振腔的損耗現(xiàn)在是32頁\一共有41頁\編輯于星期四（1）幾何損耗：光線在腔內(nèi)往返傳播時，可能從腔的側(cè)面偏折出去而引起損耗。

決定其大小的因素：腔的類型和幾何尺寸；（2）衍射損耗：腔鏡邊緣、插入光學(xué)元件的邊緣、孔徑及光闌的衍射效應(yīng)產(chǎn)生的損耗。

決定其大小的因素：腔的菲涅耳數(shù)有關(guān)、腔的幾何參數(shù)有關(guān)、橫模的階數(shù)有關(guān)。(模的階次越高，衍射損耗越大，基模的衍射損耗最小)?，F(xiàn)在是33頁\一共有41頁\編輯于星期四例子：現(xiàn)在是34頁\一共有41頁\編輯于星期四YAG激光器的腔體結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)在是35頁\一共有41頁\編輯于星期四

氦氖氣體激光器是四能級系統(tǒng)氖原子在間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移現(xiàn)在是36頁\一共有41頁\編輯于星期四四、激光模式的選擇振蕩模式是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式