第四章激光光譜學(xué)中的光源

第四章激光光譜學(xué)中的光源第一頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五√能量集中，高方向性√高強(qiáng)度，高亮度激光的特性光束發(fā)散角=2α探照燈-35毫弧度=1度激光---10-2毫弧度√單色性好具有單一頻率的光波稱為單色光單色性：/λ或氪燈——10-6普通氦氖激光——10-12投射到月球（38萬(wàn)公里）光斑直徑僅約2公里測(cè)地—月距離精度達(dá)幾厘米太陽(yáng)表面亮度約103W·cm-2·sr-1；大功率激光亮度1010-1017W·cm-2·sr-1強(qiáng)度：聚焦?fàn)顟B(tài)可達(dá)到脈沖瞬時(shí)功率可達(dá)～1014W可產(chǎn)生108K的高溫引起核聚變第四頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五√相干性強(qiáng)相干長(zhǎng)度：?jiǎn)紊栽胶?，相干長(zhǎng)度越長(zhǎng)普通光源——幾厘米激光可達(dá)——105千米普通光源的發(fā)光過(guò)程是自發(fā)輻射,發(fā)出的不是相干光,激光的發(fā)光過(guò)程是受激輻射,它發(fā)出的光是相干光.第五頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。

微觀粒子都有它特有的一套能級(jí)。任何時(shí)刻，一個(gè)粒子只能處于與某一個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表達(dá)為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射一個(gè)光子。光子的能量值為此兩能級(jí)間的能量差△E，頻率為=△E/h（h為普朗克常量）。第一節(jié)物質(zhì)與光相互作用的規(guī)律第六頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

原子吸收外來(lái)光子能量,并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),且,這個(gè)過(guò)程稱為光吸收.

1.光吸收第七頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2自發(fā)輻射

原子在沒(méi)有外界干預(yù)的情況下,電子會(huì)由處于激發(fā)態(tài)的高能級(jí)自動(dòng)躍遷到低能級(jí),這種躍遷稱為自發(fā)躍遷.由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為自發(fā)輻射.第八頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3受激輻射原子中處于高能級(jí)的電子,會(huì)在外來(lái)光子(其頻率恰好滿足)的誘發(fā)下向低能級(jí)躍遷,并發(fā)出與外來(lái)光子一樣特征的光子,這叫受激輻射.由受激輻射得到的放大了的光是相干光,稱之為激光.LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵(lì)E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子又激勵(lì)E2能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來(lái)的光信號(hào)被放大了。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。第九頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第二節(jié)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射的概念?lèi)?ài)因斯坦1917提出，激光器卻在1960年問(wèn)世，相隔43年，為什么？主要原因是普通光源中的粒子，產(chǎn)生受激輻射的概率極小。

當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，因受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。

適當(dāng)?shù)墓ぷ魑镔|(zhì)，在適當(dāng)?shù)募?lì)條件下可在特定的高低能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第十頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五1．激光工作物質(zhì)必須能在該物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?？梢允菤怏w、液體、固體或半導(dǎo)體?，F(xiàn)已有工作物質(zhì)近千種，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)從紫外到遠(yuǎn)紅外波段第三節(jié)激光器基本結(jié)構(gòu)

2.激勵(lì)源（泵）為使工作物質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法激勵(lì)原子體系，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)增加。用氣體放電的辦法激發(fā)物質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)，也可用脈沖光源去照射工作物質(zhì)，稱為光激勵(lì)，還有熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等。為了不斷地得到激光輸出，就需不斷地將處于低能級(jí)的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去，激勵(lì)源形象地稱為泵。第十一頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．諧振腔所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際上是在激光器兩端，面對(duì)面地裝上兩塊反射率很高的平面鏡，一塊平面鏡對(duì)光幾乎全反射，另一塊則讓光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。光學(xué)諧振腔的作用為：①提供光學(xué)正反饋，②限制激光的模式。光在放大介質(zhì)中經(jīng)歷的路程越長(zhǎng)，和越多的原子發(fā)生作用，才能獲得越有效的光放大。但是把工作物質(zhì)作得無(wú)限長(zhǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。..........激光光束全反射鏡光學(xué)諧振腔示意圖部分透光反射鏡第十二頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五諧振腔基本類(lèi)型（1）、平行平面腔由兩塊相距為L(zhǎng)平行放置的平面反射鏡構(gòu)成(2)、凹面反射鏡腔共焦腔：兩反射鏡焦距之和等于鏡面間距f1+f2=L當(dāng)f1=f2時(shí)，為對(duì)稱共焦腔共心腔：兩凹面鏡的曲率中心在腔內(nèi)重合由相距為L(zhǎng)，曲率半徑分別為R1和R2的兩塊凹面反射鏡構(gòu)成。對(duì)于凹面反射鏡，曲率半徑R與焦距f的關(guān)系為：

R1+R2=L(3)、平面凹面反射鏡腔

半共焦腔。

第十三頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五諧振腔還可分為穩(wěn)定腔和非穩(wěn)定腔兩種：穩(wěn)定腔：光在腔內(nèi)不論反射多少次數(shù)始終不偏離腔體非穩(wěn)腔：光在腔內(nèi)來(lái)回反射后偏離偏離腔體2、無(wú)源腔的Q值ε為存儲(chǔ)在腔內(nèi)的總能量，P單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量腔損耗越小，Q越高諧振腔的損耗幾何偏折損耗、衍射損耗、反射不完全引起的損耗、材料損耗1、光子在腔內(nèi)的平均壽命τRδ為各種原因引起的總損耗因子第十四頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十五頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五激光器模式：橫模和縱模橫模：反映激光輸出橫截面上的光強(qiáng)度分布情況1）定義：諧振腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布激光器輸出光束在屏上形成的光斑形狀直觀地顯示了橫模形式，2）激光橫模的表示法：TEMmnTEM表示橫電磁，m,n為序數(shù)，分別表示水平（x）和垂直（y）方向的極小值數(shù)目；TEM00表示基橫?；鶛M模時(shí)腔內(nèi)場(chǎng)分布

橫模選擇在許多應(yīng)用中，要求激光器具有很高的光束質(zhì)量（方向性）。從振蕩模式中選出基橫模TEM00，并抑制其他高階振蕩模，基模衍射損耗最小，能量集中在腔軸附近，使光束發(fā)散角得到壓縮，從而改善其方向性。第十六頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五縱模：反映激光器的工作頻率，當(dāng)光在腔內(nèi)往返一周其相位變化為π的整數(shù)倍時(shí)，形成駐波，這時(shí)腔內(nèi)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布稱為縱模

橫模與縱模的物理意義：諧振腔所允許的激光光場(chǎng)的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布模式諧振頻率腔模記為

q是一個(gè)很大的數(shù)字，腔的諧振頻率主要由縱模序數(shù)q決定

當(dāng)腔內(nèi)只存在單橫模（TEM00）振蕩時(shí)，頻譜結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，為一系列分立的振蕩頻率，其間隔為第十七頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四節(jié)激光振蕩1.增益光在傳播過(guò)程可以得到增強(qiáng)的介質(zhì)稱為增益介質(zhì)

增益系數(shù)：

粒子數(shù)布居：第十八頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在泵浦源的作用下獲得的。泵浦源的作用可以用多種方法，最常用的，對(duì)固體與液體介質(zhì)有光激發(fā)，氣體介質(zhì)用放電激發(fā)。但是泵浦源是無(wú)法對(duì)二能級(jí)系統(tǒng)造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，需要用多能級(jí)系統(tǒng)，常用的有三能級(jí)與四能級(jí)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)能級(jí)2對(duì)能級(jí)1的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)要求：

為將粒子從能級(jí)0泵浦到能級(jí)2的凈速率增益系數(shù)

線型函數(shù)

線型函數(shù)有均勻展寬與非均勻展寬兩類(lèi)第十九頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五增益系數(shù)與頻率和線型函數(shù)有關(guān)均勻加寬情形小信號(hào)增益時(shí)

第二十頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五非均勻加寬情形第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五增益飽和現(xiàn)象2.增益飽和現(xiàn)象均勻加寬情形第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五非均勻加寬情形2.增益飽和現(xiàn)象增益飽和現(xiàn)象第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.激光的閾值激光增益介質(zhì)除了增益G

以外，介質(zhì)內(nèi)還有損耗

,諧振腔的兩腔鏡也有損耗

兩腔鏡的反射率，

腔內(nèi)激光在往返一次以后，光強(qiáng)比值激光器的起振要求：

激光介質(zhì)的閾值增益

閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)：第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.激光模式競(jìng)爭(zhēng)在激光諧振腔內(nèi)，被放大的光必須是諧振腔的某個(gè)縱模。因此，除了介質(zhì)的增益必需超過(guò)閾值外，只有在介質(zhì)的增益曲線范圍內(nèi)某個(gè)諧振腔的縱模上才能形成激光。

開(kāi)始時(shí)，

設(shè)在增益曲線屬于均勻展寬，在增益范圍內(nèi)只有一個(gè)縱模頻率數(shù)減小，結(jié)果使增益下降。增益的下降使光強(qiáng)增長(zhǎng)變緩，最終將使腔內(nèi)光強(qiáng)達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值I，此時(shí)，介質(zhì)增益將下降到閾值大小，即頻率為的激光光強(qiáng)將不斷增長(zhǎng)，但光強(qiáng)的增加將使介質(zhì)中的粒子反轉(zhuǎn)第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五多個(gè)縱模情形，并且開(kāi)始時(shí)它們的增益都滿足開(kāi)始時(shí)三個(gè)模的光強(qiáng)都會(huì)增加，光強(qiáng)增加的結(jié)果使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)下降，于是增益也隨之下降，整個(gè)的增益曲線開(kāi)始下壓,…….最后增益曲線下壓到曲線3，腔內(nèi)剩下唯一的模是振蕩的，成為單縱模振蕩。模式競(jìng)爭(zhēng):一個(gè)振蕩模的增長(zhǎng)把其余振蕩模抑制下去的現(xiàn)象第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.燒孔現(xiàn)象非均勻展寬介質(zhì)

只要縱模的間隔足夠大，整個(gè)增益曲線并不下降，增益飽和只在該振蕩頻率附近造成一個(gè)凹陷，稱為燒孔現(xiàn)象在非均勻展寬增益介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)多縱模振蕩，靠近增益曲線中心的模，增益高，光強(qiáng)大，輸出功率也高，而遠(yuǎn)離的模增益低，輸出功率也低。

不同模的輸出功率不同，說(shuō)明不同運(yùn)動(dòng)速度的原子對(duì)不同縱模所作的貢獻(xiàn)是不同的多普勒頻移公式，速度為的原子，發(fā)射的光頻率為

設(shè)一氣體激光器在頻率為的單縱模下運(yùn)轉(zhuǎn)，

與兩列行波相同方向運(yùn)動(dòng)的兩群原子的發(fā)射可進(jìn)入同一個(gè)模該波使原子受激輻射第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五小信號(hào)增益越來(lái)越大，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)（即調(diào)節(jié)縱模頻率）使激光振蕩頻率逐步向增益曲線中心頻率移動(dòng)。但同時(shí)對(duì)激光作貢獻(xiàn)的原子減少,特別是時(shí)，只有一群原子對(duì)激光貢獻(xiàn)輸出功率反而下降---燒孔

第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五節(jié)光譜學(xué)中常用激光光源1．固體激光器√將可激活離子摻雜到晶體或玻璃體中的一大類(lèi)激光器；

√一般采用光激發(fā)泵浦，如采用閃光燈或另一臺(tái)激光來(lái)泵浦；

√激光介質(zhì)加工成圓柱狀，稱為激光棒；

√為了有效地利用泵浦光能，需要加上聚光器；

√一般脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五√

Q開(kāi)關(guān)技術(shù)

為何要調(diào)Q？在強(qiáng)泵浦光作用下，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的上升很快，建立起振蕩，而振蕩激光又將消耗粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，令其快速下降，振蕩起來(lái)的激光很快熄滅；泵浦光還在持續(xù)照射，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)又重新建立，激光再次振蕩。上述過(guò)程重復(fù)發(fā)生，出現(xiàn)多尖峰脈沖；在泵浦的持續(xù)照射時(shí)間內(nèi)都有輸出，使脈沖輸出功率受到限制。Q值是描述光學(xué)諧振腔的儲(chǔ)能與損耗關(guān)系的參數(shù)，稱為品質(zhì)因素：開(kāi)關(guān)的基本思想是設(shè)法控制光腔在泵浦期間的損耗，使在泵浦脈沖前期腔的損耗很大，光的增益超過(guò)不了損耗，達(dá)不到激光起振的閾值；在泵浦脈沖作用下粒子反轉(zhuǎn)數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)，待粒子反轉(zhuǎn)數(shù)積累到很大數(shù)量，介質(zhì)的增益足夠大時(shí)，突然減小損耗，于是光的增益將大大超過(guò)損耗，在瞬間建立起很強(qiáng)的激光第三十頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五電光調(diào)Q格蘭棱鏡為偏振器，入射光經(jīng)偏振器后成為與x軸相平行的線偏振光；

晶體KDP(磷酸二氘鉀)在外加電壓下它是一個(gè)雙折射晶體，它的兩個(gè)晶軸x’與y’分別與坐標(biāo)軸x與y成45°角，沿x’晶軸的折射率小，沿y’晶軸的折射率大。當(dāng)加有電壓時(shí)，由于折射率不同導(dǎo)致傳播速度的差異，沿x’與y’方向的線偏振光在晶體出射端將產(chǎn)生90度相位差，變?yōu)閳A偏振光。它經(jīng)反射鏡反射返回到偏振器表面時(shí)退化為線偏振，但振動(dòng)面轉(zhuǎn)了90°，就不能通過(guò)偏振器，也就回不到Y(jié)AG晶體內(nèi)。這相當(dāng)于激光腔損耗很大。撤消晶體上電壓，上述效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生，腔的損耗保持很小。實(shí)現(xiàn)諧振腔的值突變?？蓪?shù)百u(mài)s的泵浦脈沖寬度壓縮在數(shù)ns時(shí)間內(nèi)輸出激光，光脈沖的瞬時(shí)功率達(dá)將到數(shù)百kW，以至GW以上.第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五兩種常見(jiàn)的固體激光器

釔鋁石榴石晶體中摻進(jìn)激光下能級(jí):

激光上能級(jí):

,亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，壽命約230us

，壽命很短，基本沒(méi)有粒子布居

這兩能級(jí)間容易獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激光波長(zhǎng)為1.064um.

閃光燈泵浦YAG激光器可以工作在每秒數(shù)十次的重復(fù)頻率上

調(diào)Q的YAG激光器，基波1.06um,的單脈沖輸出能量可到1000mJ以上，脈寬在10-12ns。倍頻后，532ns波長(zhǎng)的單脈沖能量在500mJ以上，脈寬在~8ns左右；355ns波長(zhǎng)的單脈沖能量在300mJ以上，脈寬在3ns左右YAG激光器

√第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五√鈦寶石激光器摻雜激活離子是Ti3+

離子，激光輸出波長(zhǎng)范圍從0.67μm到1.1μm。離子激光作泵浦光源實(shí)現(xiàn)連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn);或二倍頻的YAG激光作鈦寶石激光的泵浦源

2．氣體激光器＆利用原子或分子氣體為工作物質(zhì)的激光器；

＆泵浦方式主要為氣體放電；

＆利用放電產(chǎn)生的等離子體中大量的電子與原子或分子之間或它們之間的碰撞使激光能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

氣體物質(zhì)通常為低增益介質(zhì)，常使用凹面腔鏡的穩(wěn)定腔第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五He-Ne激光器放電管中典型的He氣壓為1.0mm汞柱，Ne氣壓為0.1mm汞柱，放電管點(diǎn)火電壓約5KV波長(zhǎng)0.6328um:Ne的5S->3p躍遷第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)，編輯于2023年，星期五氬離子激光器利用的電子態(tài)的受激躍遷

在0.5145um和0.4880um的兩條譜線最強(qiáng)。

是可見(jiàn)光波段上的大功率連續(xù)波激光器

紅外波段分子氣