激光原理技術及應用第一章第二章

激光原理技術及應用第一章第二章第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一上課時間：18周，復習1周成績計算：考勤（10分），作業(yè)（30分），考試（60分）參考書：《激光原理技術及應用》李相銀等，哈工大出版社

《激光技術》，藍信鉅等，科學出版社《激光原理》，周炳琨等，國防出版q:422575911Email:lxjzbj@126.com課時及考試第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一形形色色的激光第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一激光的原理及技術基礎激光工作物質及基本原理光學諧振腔激光器工作原理典型的激光器件激光技術教學內容第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一激光：Laser（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)理論：量子理論1917愛因斯坦（美）誕生：紅寶石激光器1960年梅曼（美）

半導體激光器1960年尼古拉.巴索夫（蘇）條形碼掃描器：1974激光盤播放機:1978CD播放機：1982光纖：1988歐美第一章激光的原理及技術基礎第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一500萬億瓦，1000倍美國，400倍中國2012年192束三個足球場10億分之一秒，2mm國家點火裝置(NIF)

第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一2013,4000萬度East托卡馬克第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一2001建成2011年升級1013瓦6kJ/ns240mm口徑神光二號第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一信息傳播，存儲加工系統(tǒng)：

激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)軍事科技：

激光光譜、激光雷達、激光武器。工業(yè)：

激光打標、激光打孔、激光裁床、激光切割、激光繡花，激光熱處理，激光快速成型。激光的應用第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一醫(yī)療衛(wèi)生：激光生命科學研究、激光診斷、激光治療。炫酷：影像在空中投影，手表上就可以沒有表面，中間懸空顯示時間，日常生活：激光滅蚊，也能分辨雌蚊子和雄蚊子之類第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

光子的基本性質第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一一：高方向性和空間相干性

探照燈：平面發(fā)散角10mradW=L×θ激光器：平面發(fā)散角10-4mrad激光器的平面發(fā)散角：

λ：波長D：光束直徑1.1激光的特點第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例題:激光器的波長λ=2μm,其輸出孔徑為2m,當其傳播到100km距離時，激光束的直徑約為多少？激光平面發(fā)散角為多少？（1.22m）第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一相干光：頻率、偏振方向相同，位相差恒定同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一空間相干性：橫向相干性相干長度：

相干截面：

在光束整個截面內的任意兩點間具有完全確定的相位關系的光場振動是完全相干的。1.1激光的特點第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

1.1激光的特點

二、單色性和時間相干性

第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一計算：1為使氦氖激光器的相干長度達到1km，它的單色性應該是多少？(波長632.8nm)2普通光源氪燈發(fā)出的波長605.7nm，低溫下其譜線半寬度0.47×10-6μm,求其相干長度。第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一相干光源：高的相干光強、大相干面積、長相干時間激光：高單色性、高定向性。單色亮度：太陽光：2.6×10-12W/(cm2.Sr.Hz)氣體激光器：10-2~102W/(cm2.Sr.Hz)固體激光器：10~103W/(cm2.Sr.Hz)調Q大功率激光器：104~107W/(cm2.Sr.Hz)1.1激光的特點

三、高亮度和光子簡并度第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

1.1激光的特點

三、高亮度和光子簡并度第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)：p21T3,4T3:譜線寬度，半寬度？0.63×10-9，是科學計數(shù)法？T4頻率6×1014Hz單位？簡并度的計算出現(xiàn)數(shù)量級錯誤？有效數(shù)字問題8.182×10-3還是8.18×10-3的問題第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一原子的內能：電子動能+位能能級：分離的能級E2,E1自發(fā)輻射受激吸收受激輻射1.2激光的產生

一原子能級第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一E1：基態(tài)能級E2:激光輸出能級（亞穩(wěn)態(tài)）E3:抽運激光上能級量子數(shù)反轉：E2和E1紅寶石激光器半數(shù)以上的粒子抽運1.2激光的產生

一、三能級系統(tǒng)第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一E4:抽運能級E3:激光輸出能級E2:激光最終能級E1:基態(tài)1.2激光的產生

三、四能級系統(tǒng)第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一上能級E2：g2能態(tài)，粒子數(shù)密度:n2下能級E1：g1能態(tài),粒子數(shù)密度:n1熱平衡：E2>E1,T>0有：粒子數(shù)反轉：1.2激光的產生

四、粒子數(shù)反轉條件第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一激光工作物質：粒子數(shù)反轉，產生激光

固體、液體、氣體、自由電子泵浦源：光能、電能、化學能、原子能光學諧振腔:全反射鏡，部分透射鏡1.3激光器的基本組成

一、基本結構第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一凹面反射鏡：凸面反射鏡：平面反射鏡：

其中R:曲率半徑，f:焦距

S:物距，S’:相距1.3激光器的基本組成

一、基本結構第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一幾種諧振腔：半共焦腔非共焦平凹腔1.3激光器的基本組成

一、基本結構第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一波長：X射線到毫米波波段功率密度：1019W/cm2脈沖：6×10-15s1固體激光器：廣泛；紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、釹玻璃激光器、鈦寶石；2.氣體激光器：He-Ne,He-Gd,Ar+,N2,CO2,準分子激光器大功率3.半導體激光器：小，長壽，價低1.3激光器的基本組成

二、激光器種類第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一4染料激光器：連續(xù)調諧5.化學激光器：波長范圍大，定向能武器，HF2.7um，3MW6.自由電子激光器1.3激光器的基本組成

二、激光器種類第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一光線在諧振腔內的行為穩(wěn)定腔：能保證光在腔內來回反射始終不離開諧振腔的腔。雙凸腔：為非穩(wěn)腔1.4光線在諧振腔內的行為和腔的穩(wěn)定條件第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一共焦腔條件：R1=R2=RL=Rf1=f2=f=R/2光線在共焦腔內的行為

第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

凹面鏡組成的非穩(wěn)諧振腔第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定腔腔長L，曲率半徑R1,R2,記J1=1-L/R1,J2=1-L/R2穩(wěn)定腔條件：（1）平凹腔：R2>L(2)雙凹腔：R1>L,R2>L,或R1<L,R2<L,R1+R2>L(3)凹凸腔：R1>L,R1+R2<L或R2>R1-L穩(wěn)定條件第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一非穩(wěn)腔：J1J2>1或J1J2<0，傍軸光線有限溢出腔外（1）雙凸腔（2）平凸腔（3）平凹腔0<R<L,(4)雙凹腔：R1<L,R2>L,即J1J2<0或R1+R2<L，即J1J2>1（5）凹凸腔:R2<0,0<R1<L,即J1J2<0或R2<0,R1+R2>L,即J1J2>1。R1，R2分別為凹、凸面鏡的曲率半徑非穩(wěn)腔第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一J1J2=0或J1J2=1的腔。（1）對稱共焦腔：R1=R2=L,即J1=0,J2=0；（2）平行平面腔：J1=J2=1（3）共心腔：L=R1+R2,J1J2=1臨界腔介于穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔之間。臨界腔第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一振蕩模式：振蕩頻率和場強的空間分布。電磁場空間分布：沿傳播方向（腔軸方向）的E（z),

垂直于傳播方向：E(x,y)。在腔內可能存在的穩(wěn)定光場的本征態(tài)。1.5激光振蕩模式第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一縱模，沿腔軸線方向電磁場的本征態(tài)，縱向光場分布.縱模數(shù)多，單色性差。

橫模，在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)，橫向光場分布光腔模式第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一諧振條件：形成激光a,b,c相位差2π的整數(shù)倍設腔長L,折射率η，則：由諧振條件：諧振頻率：諧振頻率間隔差：激光的縱模第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一腔長30cm的He-Ne激光器線寬1.5×109Hz，頻率間隔：第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一L=10cm的He-Ne激光器Ne原子發(fā)射波長0.6328um的熒光線寬1.5×109Hz。單縱模激光器多縱模激光器：L=30cm時，線寬5×108Hz，出現(xiàn)三個縱模第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一影響縱模數(shù)的因素：熒光線寬，諧振頻率間隔線寬越大，縱模數(shù)越多；諧振腔的頻率間隔越小(L越大），縱模數(shù)越多CO2,10.6um光譜線寬度：108Hz，腔長1m，頻率間隔：Δν=c/2ηL=1.5×108Hz，單縱模氬離子激光器0.5145um，光譜線寬度6.0×108Hz，腔長1m時縱模間隔：1.5×108Hz，多模Nd3+-YAG1.06um的光譜線寬度1.95×1011Hz，多模第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一橫向強度分布TEMmnq，mn，橫模指數(shù)，m,n越大，圖形越復雜，偏離光傳播軸線越遠基橫模光強高斯形，光場分布均勻。高階橫模分布不均勻，發(fā)散角大。q縱模指數(shù),q越大，縱模數(shù)越多激光的橫模第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一減少激光模式數(shù)，改善方向性，提高單色性；激光選模第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一由0<J1J2<1作圖：J1=1-L/R1,J2=1-L/R2，一個光學諧振腔（R1,R2,L)對應一個點如平凹腔：L<R2<∞諧振腔穩(wěn)定圖第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一例題：一個雙凹腔的曲率半徑為R1=100cm,R2=150cm，求腔長L在什么范圍內是穩(wěn)定腔？非穩(wěn)定腔？作業(yè)：P21T5,6第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一光腔損耗：工作物質內部損耗諧振腔的損耗1.6光腔的損耗和激光振蕩的閾值條件第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一

透射光

腔內元件

諧振腔晶面的散射和吸收衍射損耗：尺寸、模式。橫摸指數(shù)越高，衍射損耗越嚴重。諧振腔損耗第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一不均勻：折射、發(fā)射能級：吸收光子氣體激光器均勻性好于固體激光工作物質內部損耗第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一平均單程損耗因子δ。往返一次：We0為t=0時的光子密度往返m次：所需時間為t：令諧振腔內光子壽命第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一當考慮到增益系數(shù)G，有：當G>δ時，光子數(shù)增加第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一平行平面腔反射率r1、r2,不完全反射損耗系數(shù)δr：則：諧振腔內損耗δ內，則總損耗因子δ為：光強隨距離z變化：閾值條件：激光振蕩閾值條件第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一諧振腔品質因子Q:知：則：由得：諧振腔的品質因子與光譜線寬度第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一自然加寬：

Q值越高，線寬越窄，單色性越好第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定的激光增益等于損耗，Q值無窮大；自發(fā)輻射的影響縱模頻率：頻率漂移：折射率和溫度He-Ne激光器，百分之一，106Hz，單模激光的線寬極限第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一2.1黑體輻射與普朗克公式絕對黑體：完全吸收投射于它的任何頻率的電磁輻射的物體。熱輻射（溫度輻射）：從任一物體發(fā)出的電磁輻射。黑體輻射：黑體內部輻射的能量等于吸收能量時，黑體內部存在的輻射場。第二章激光工作物質及基本原理第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一黑體輻射是黑體溫度T和輻射頻率ν的函數(shù)單色能量密度：單位體積內頻率處于ν附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量。單位：J.m-3.s與腔體的材料和結構無關。普朗克：光量子：ε0=hν黑體輻射第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一模式：振子的振動狀態(tài)。溫度T的熱平衡條件下，黑體輻射分配到每個模式上的平均能量：單位體積、頻率在ν→dν間隔的光波模式數(shù)：黑體輻射普朗克公式：玻爾茲曼常數(shù)k=1.38062×10-23J/oC普朗克公式第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一黑體輻射是輻射場和物質原子相互作用的結果。自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收自發(fā)輻射光和物質的三種相互作用第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一自發(fā)輻射幾率A21：單位時間內n2個高能態(tài)上的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)（dn21/dt)與n2的比值(dn21)sp為自發(fā)輻射引起的由E2向E1躍遷的原子數(shù)單位時間內E2能級上減少的粒子數(shù)密度：則有：自發(fā)輻射第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一由能級平均壽命：得：比較：得：A21：自發(fā)輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)τs

：自發(fā)輻射壽命第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一受激吸收躍遷：處于低能級E1的一個原子，在頻率為ν的輻射場作用下，吸收一個能量為hν的光子并向E2能級躍遷。受激輻射躍遷幾率W12：A21只與原子本身性質有關，W12與原子本身和輻射場的ρν成正比：B12：受激輻射愛因斯坦系數(shù)，只與原子性質有關受激吸收第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一受激輻射：處于高能級E2的原子，在頻率為ν的輻射場作用下，躍遷到低能級E1并輻射一個能量為hν的光子，受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。受激輻射躍遷幾率：B21:受激輻射愛因斯坦系數(shù)。受激輻射第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期一熱平衡時：即：得：由于：及玻爾茲曼分布律：得愛因斯坦