物理激光的基本原理及其特性課件

《激光原理與技術(shù)》

普通高等教育”十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材閻吉祥主編2004年7月[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件1學(xué)習(xí)目的通過(guò)學(xué)習(xí)掌握激光的基本原理及工作特性,諧振腔理論,典型激光器,半導(dǎo)體激光器,激光調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù),頻率變換等.學(xué)習(xí)目的通過(guò)學(xué)習(xí)掌握激光的基本原理及工作特性,諧振腔理論,典2課程內(nèi)容第1章激光的基本原理及特性第2章光學(xué)諧振腔理論第3章典型激光器第4章半導(dǎo)體激光器第5章激光調(diào)制技術(shù)第6章調(diào)Q技術(shù)與瑣模技術(shù)第7章激光頻率技術(shù)課程內(nèi)容第1章激光的基本原理及特性3參考書目⑴俞寬新等編著，《激光原理與技術(shù)》北京工業(yè)大學(xué)出版社⑵周炳琨等編著，《激光原理》

國(guó)防工業(yè)出版社⑶陳玉清等編著，《激光原理》

高等教育出版社⑷李相銀等編著，《激光原理技術(shù)及應(yīng)用》

哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社參考書目⑴俞寬新等編著，《激光原理與技術(shù)》4教學(xué)組織方式與學(xué)時(shí)分配利用多媒體授課

教學(xué)內(nèi)容

課時(shí)第一章12第二章8第三章7第四章4第六章8第七章6總計(jì)45教學(xué)組織方式與學(xué)時(shí)分配利用多媒體授課教學(xué)內(nèi)容課5考核方式考試平時(shí)(出勤+作業(yè)+平時(shí)表現(xiàn))20%實(shí)驗(yàn)30%期末考試50%考核方式考試6第1章激光的基本原理及特性1.1激光的特性1.2激光產(chǎn)生的必要條件1.3激光產(chǎn)生的充分條件1.4譜線加寬1.5譜線加寬下的增益系數(shù)1.6激光器的速率方程第1章激光的基本原理及特性1.1激光的特性71.7連續(xù)與脈沖工作1.8粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件1.9激光放大的閾值條件1.10均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)和頻率牽引1.11激光器的輸出特性1.12激光器的泵浦技術(shù)1.7連續(xù)與脈沖工作81.1激光的特性單色性方向性相干性高亮度1.1激光的特性單色性9單色性和時(shí)間相干性光源單色性的量度:頻帶寬度Δν時(shí)間相干性：光源中同一輻射源在不同時(shí)間輻射出的光束之間的相干性．光波的相干時(shí)間:譜線寬度越窄,或單色性越好,相干時(shí)間越長(zhǎng),即時(shí)間相干性越好.普通光源:譜線寬度1014Hz的量級(jí)單模穩(wěn)頻氣體激光器：10３Hz以上的量級(jí)單色性和時(shí)間相干性光源單色性的量度:頻帶寬度Δν10方向性與空間相干性方向性普通光源:4π激光:毫弧度空間相干性

發(fā)光面上不同點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)發(fā)出輻射的相干性.相干面積相干長(zhǎng)度相干體積方向性與空間相干性方向性11高亮度定義:光源在單位面積上,向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率.截面為A的光源單色亮度一束脈寬為納秒量級(jí)的脈沖激光,其亮度可達(dá)1018W/cm2.sr,它比太陽(yáng)表面的亮度2*103W/cm2.sr要高15個(gè)數(shù)量級(jí)高亮度定義:光源在單位面積上,向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的121.2激光產(chǎn)生的必要條件1.2.1二能級(jí)系統(tǒng)的三種躍遷一、自發(fā)輻射二、受激躍遷三、Einstein輻射系數(shù)之間的關(guān)系1.2激光產(chǎn)生的必要條件1.2.1二能級(jí)系統(tǒng)的三種躍遷13一.自發(fā)輻射表1.1藍(lán)寶石一.自發(fā)輻射表1.1藍(lán)寶石14二.受激躍遷

(一)受激吸收ρ二.受激躍遷

(一)受激吸收ρ15(二)受激輻射(二)受激輻射16三.Einstein輻射系數(shù)之間的關(guān)系當(dāng)三種過(guò)程都存在時(shí),總變化率為簡(jiǎn)并度三.Einstein輻射系數(shù)之間的關(guān)系當(dāng)三種過(guò)程都存在時(shí),171.2.2激光產(chǎn)生的必要條件光強(qiáng)的增長(zhǎng)可表示為由受激躍遷引起的光子數(shù)凈增量與單個(gè)光子能量的乘積1.2.2激光產(chǎn)生的必要條件18輻射放大產(chǎn)生激光的必要條件：

工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)增益介質(zhì)：[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件191.3激光產(chǎn)生的充分條件1.3.1.飽和光強(qiáng)的概念飽和光強(qiáng)ＩＳ飽和長(zhǎng)度ＬＳ1.3.2飽和光強(qiáng)的簡(jiǎn)單計(jì)算當(dāng)光通過(guò)增益介質(zhì)時(shí)，上能級(jí)粒子數(shù)的變化率為穩(wěn)態(tài)時(shí)1.3激光產(chǎn)生的充分條件1.3.1.飽和光強(qiáng)的概念20小信號(hào)情況隨光強(qiáng)Ｉ的增長(zhǎng)，Ｎu減小，使Ｎu減小為小信號(hào)值的１／２時(shí)的光強(qiáng)為飽和光強(qiáng)其中受激輻射截面小信號(hào)情況受激輻射截面211.3.3產(chǎn)生激光的充分條件

如果在增益介質(zhì)的有效長(zhǎng)度內(nèi)光強(qiáng)可以從微小信號(hào)增長(zhǎng)到ＩＳ，則對(duì)激光來(lái)說(shuō)是充分的．求有效長(zhǎng)度園柱形增益介質(zhì)，假設(shè)介質(zhì)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)粒子分布設(shè)光輻射起源于介質(zhì)一端長(zhǎng)度為l的區(qū)域1.3.3產(chǎn)生激光的充分條件

如果在增益介質(zhì)的有效長(zhǎng)度內(nèi)22單位時(shí)間內(nèi)由自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的總輻射能令光強(qiáng)經(jīng)介質(zhì)放大后達(dá)到飽和光強(qiáng)設(shè)光強(qiáng)等于單位截面的能量單位時(shí)間內(nèi)由自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的總輻射能光強(qiáng)等于單位截面的能量23例1.1已知某激光工作物質(zhì)增益系數(shù)為Ｇ＝100m-1，長(zhǎng)度Ｌ＝0.08m求滿足產(chǎn)生激光充分條件的da.例1.1已知某激光工作物質(zhì)增益系數(shù)為Ｇ＝100m-1，長(zhǎng)度24例已知Ｎd:YAG激光材料增益系數(shù)Ｇ＝10m-1，設(shè)材料長(zhǎng)度Ｌ＝0.5m，直徑da=0.1m,試問(wèn)小信號(hào)單次通過(guò)該介質(zhì)光強(qiáng)能否達(dá)到飽和？微弱光信號(hào)單次通過(guò)該工作物質(zhì)光強(qiáng)達(dá)不到飽和例已知Ｎd:YAG激光材料增益系數(shù)Ｇ＝10m-1，設(shè)材料長(zhǎng)度251.4譜線加寬

原子系統(tǒng)能級(jí)的彌散1.4.1概述海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系相干輻射的中心頻率為1.4譜線加寬

原子系統(tǒng)能級(jí)的彌散26上下邊頻分別為譜線寬度為譜線加寬特性的描述：線形函數(shù)定義線形函數(shù)是歸一化的求和表示可以有多種自發(fā)輻射上下邊頻分別為求和表示可以有多種自發(fā)輻射27分類1.均勻加寬2.非均勻加寬分類281.4.2均勻加寬1.自然加寬由測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系決定譜線加寬線形函數(shù)自然寬度1.4.2均勻加寬1.自然加寬29[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件302.碰撞加寬當(dāng)原子密度足夠高時(shí),原子之間的碰撞引起的譜線加寬①加寬②加寬：的速率干擾輻射原子的相位2.碰撞加寬31[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件32均勻加寬

特點(diǎn)：對(duì)同類原子中的每個(gè)個(gè)體都是相同的．考慮自然加寬和碰撞加寬，總的均勻加寬為大多數(shù)固體激光躍遷的譜線加寬均勻加寬

特點(diǎn)：對(duì)同類原子中的每個(gè)個(gè)體都是相同的．33氣體激光的碰撞加寬比例系數(shù)ɑ與原子間的碰撞截面，溫度等有關(guān)氣體激光的碰撞加寬341.4.3.非均勻加寬

特點(diǎn)：不同原子或原子群對(duì)譜線的不同部分有貢獻(xiàn)分類：多譜勒加寬和非晶態(tài)加寬一、Ｄoppler加寬（氣體工作物質(zhì)）設(shè)有靜止時(shí)輻射頻率為的原子(光源)以速度v朝向或背離觀察者(接收器)運(yùn)動(dòng),則被探測(cè)到的頻率分別為對(duì)氣體原子,平均速度的取值范圍在102～103m/s1.4.3.非均勻加寬

特點(diǎn)：不同原子或原子群對(duì)譜線的不同部35[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件36要求譜線寬度值代入Maxwell速度公式原子的發(fā)光強(qiáng)度與發(fā)光原子數(shù)成正比當(dāng)時(shí)，上式有極大值高斯分布要求譜線寬度值代入Maxwell速度公式高斯分布37[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件38[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件39而有而40例求氖原子輻射λ０＝６３２．８nm光譜線的多譜勒寬度?（T=300K）[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件41二、非晶態(tài)加寬非晶態(tài)材料,是由分子的獎(jiǎng)狀混合物凝結(jié)在固體中形成的,導(dǎo)致一些小的區(qū)域中的分子有稍微不同的取向.應(yīng)力不同,每個(gè)粒子的能級(jí)略有不同材料的不同部分輻射頻率也不同.總的發(fā)射線寬具有高斯線性.綜合加寬二、非晶態(tài)加寬421.5譜線加寬下的增益系數(shù)

線型函數(shù)g(v)定義為輻射光強(qiáng)中頻率處于v領(lǐng)域單位頻率間隔的光強(qiáng)與總光強(qiáng)之比．也可理解為躍遷幾率按頻率的分布函數(shù)．從而愛(ài)因斯坦系數(shù)為1.5譜線加寬下的增益系數(shù)

線型函數(shù)g(v)定義為輻射光43自發(fā)躍遷引起Ｎu變化的速率即譜線加寬對(duì)其沒(méi)有影響受激輻射引起Ｎu變化的速率自發(fā)躍遷引起Ｎu變化的速率44增益系數(shù)（考慮譜線加寬）均勻加寬多譜勒加寬其中增益系數(shù)（考慮譜線加寬）45于是得在處取最大值于是得461.6激光器的速率方程速率方程：能級(jí)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化的微分方程1.速率方程的建立1.6激光器的速率方程速率方程：能級(jí)粒子數(shù)密度隨時(shí)間變化471.6.2速率方程的穩(wěn)態(tài)解

在小信號(hào)條件下得小信號(hào)下下能級(jí)粒子數(shù)密度兩個(gè)方程直接相加得下能級(jí)粒子數(shù)密度不隨光強(qiáng)而變1.6.2速率方程的穩(wěn)態(tài)解

48能級(jí)u的壽命有[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件491.6.3反轉(zhuǎn)粒子數(shù)及增益飽和

其中當(dāng)飽和時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度下降到小信號(hào)時(shí)的一半1.6.3反轉(zhuǎn)粒子數(shù)及增益飽和

50因式中小信號(hào)增益系數(shù)因51當(dāng)即飽和條件下的增益系數(shù)為小信號(hào)時(shí)的一半[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件52[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件531.7連續(xù)與脈沖工作

兩種基本工作狀態(tài):連續(xù)和脈沖工作1.7.1.固體三能級(jí)系統(tǒng)速率方程組1.7連續(xù)與脈沖工作

兩種基本工作狀態(tài):連續(xù)和脈沖工作54根據(jù)玻爾茲曼定律設(shè)波長(zhǎng)在室溫（３００Ｋ）條件下通常有根據(jù)玻爾茲曼定律55各能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間變化的方程假定腔內(nèi)只存在一個(gè)模,其光子壽命為,則光子數(shù)密度的增長(zhǎng)速率為將激發(fā)速率用發(fā)射/吸收截面及介質(zhì)的光速來(lái)表示從而得量子效率各能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間變化的方程量子效率56其中為粒子由能級(jí)向能級(jí)轉(zhuǎn)移的量子效率為能級(jí)上粒子的壽命其中571.7.2速率方程的解激光器的工作方式主要由外抽運(yùn)速率的時(shí)間行為決定.輸出連續(xù)激光輸出脈沖激光1.7.2速率方程的解激光器的工作方式主要由外抽運(yùn)速率58速率方程的解由時(shí)間行為決定令對(duì)典型的三能級(jí)系統(tǒng),近似為空能級(jí),于是假定激光器工作在閾值附近,則受激輻射很弱速率方程的解由時(shí)間行為決定59一階非齊次常微分方程,相應(yīng)的齊次方程的解為用常數(shù)變易法求出C終得在以后的時(shí)間里,的速率方程為解為一階非齊次常微分方程,相應(yīng)的齊次方程的解為601.7.3激光器的工作狀態(tài)激光上能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)激光脈沖和連續(xù)工作狀態(tài)均適用1.7.3激光器的工作狀態(tài)激光上能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律61一.短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)

整個(gè)抽運(yùn)時(shí)間內(nèi)短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)指一.短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)

整個(gè)抽運(yùn)時(shí)間內(nèi)短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)指62如果外抽運(yùn)以一定周期重復(fù)施于激光器,則將以相同周期變化如果外抽運(yùn)以一定周期重復(fù)施于激光器,則將以相同周期變化63二.長(zhǎng)脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)

如果外抽運(yùn)持續(xù)時(shí)間,則當(dāng)t增長(zhǎng)到某一足夠大的值t1,以至?xí)r二.長(zhǎng)脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)

如果外抽運(yùn)持續(xù)時(shí)間641.8粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件

1.穩(wěn)態(tài)工作情況由此解得對(duì)大多數(shù)固體三能級(jí)材料,1.8粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件

1.穩(wěn)態(tài)工作情況65得實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件為或得662.瞬態(tài)工作情況假定粒子數(shù)反轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化Ｅ３近似為空能級(jí)2.瞬態(tài)工作情況Ｅ３近似為空能級(jí)671.9激光放大的閾值條件

1.閾值增益系數(shù)和粒子數(shù)諧振腔的總損耗率為閾值附近腔內(nèi)光強(qiáng)很弱，可視為小信號(hào)，則有激光在腔內(nèi)放大的閾值條件閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度1.9激光放大的閾值條件

1.閾值增益系數(shù)和粒子數(shù)68能級(jí)的閾值粒子數(shù)密度一般來(lái)說(shuō)所以有能級(jí)的閾值粒子數(shù)密度69連續(xù)/長(zhǎng)脈沖光泵閾值功率

連續(xù)／長(zhǎng)脈沖工作狀態(tài)時(shí)，Ｎ２達(dá)到穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值Ｎ３≈０由此得穩(wěn)態(tài)時(shí)的光泵功率連續(xù)/長(zhǎng)脈沖光泵閾值功率

連續(xù)／長(zhǎng)脈沖工作狀態(tài)時(shí)，Ｎ２達(dá)到穩(wěn)70短脈沖工作

短脈沖條件下，通常有而在短脈沖激光器中，由于脈沖工作時(shí)間很短，系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)，各能級(jí)的粒子數(shù)始終隨時(shí)間變化．工作物質(zhì)在每個(gè)脈沖內(nèi)吸收光泵能量為：光泵閾值能量為由短脈沖工作

短脈沖條件下，通常有由711.10均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)和頻率牽引1.10.1.均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)某一頻率的光強(qiáng)增長(zhǎng)時(shí),整個(gè)譜線均勻下降,直到穩(wěn)定工作狀態(tài)1.10均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)和頻率牽引1.10.1.均勻72光強(qiáng)為I1和I2,頻率是增益系數(shù)分別為小信號(hào)增益滿足直至下降到曲線A的位置時(shí),有當(dāng)增益曲線下降到曲線B的位置時(shí)光強(qiáng)為I1和I2,頻率是731.10.2頻率牽引

在無(wú)源腔中，第q個(gè)縱模的頻率為折射率為與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)．在有源腔中第q個(gè)縱模的頻率變?yōu)?.10.2頻率牽引

在無(wú)源腔中，第q個(gè)縱模的頻率為74相對(duì)有一個(gè)偏移對(duì)均勻加寬工作物質(zhì)穩(wěn)定條件下頻率偏移其中考慮（牽引常量）無(wú)源腔線寬相對(duì)有一個(gè)偏移無(wú)源腔線寬75當(dāng)有源腔中的縱模頻率總是比無(wú)源腔中同序數(shù)頻率更接近工作物質(zhì)的中心頻率此現(xiàn)象稱頻率牽引當(dāng)761.11激光器的輸出特性

1.11.1均勻加寬連續(xù)激光器的輸出功率設(shè)腔內(nèi)有一頻率為ν的模式起振，起初，腔內(nèi)光強(qiáng)逐漸增長(zhǎng)．由于飽和效應(yīng)，增益隨Ｉν的增長(zhǎng)而下降．但只要Ｉν就會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，繼續(xù)下降，直到對(duì)于均勻加寬激光器，當(dāng)模頻率1.11激光器的輸出特性

1.11.1均勻加寬連續(xù)激光器的77為簡(jiǎn)單略去ν０或設(shè)激光束的有效橫截面積為Ａ，則輸出功率可寫成在增益不大的條件下輸出功率為簡(jiǎn)單略去ν０78輸出功率與小信號(hào)增益系數(shù)及工作物質(zhì)的長(zhǎng)度成正比，且隨損耗的減小而增大．Ｐ與Ｔ的關(guān)系復(fù)雜存在最佳透過(guò)率，利用求得當(dāng)輸出鏡的透過(guò)率取時(shí)，激光器的輸出功率為輸出功率與小信號(hào)增益系數(shù)及工作物質(zhì)的長(zhǎng)度成正比，且隨損耗的減791.11.2脈沖激光器的輸出能量

在三能級(jí)激光器中，設(shè)工作物質(zhì)吸收的泵譜能量為ＥＰ，則有個(gè)粒子從基態(tài)躍遷到Ｅ３能級(jí)，其中個(gè)粒子很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷馳豫到能級(jí)Ｅ２，如果滿足對(duì)腔內(nèi)激光能量有貢獻(xiàn)的上能級(jí)粒子數(shù)為腔內(nèi)激光能量為輸出能量為1.11.2脈沖激光器的輸出能量

在三能級(jí)激光器中，設(shè)工作物801.12激光器的泵浦技術(shù)

分類1.實(shí)現(xiàn)步驟直接泵譜間接泵譜2.泵譜源光泵譜粒子泵譜化學(xué)反應(yīng)泵譜核泵譜1.12激光器的泵浦技術(shù)

分類811.直接泵譜泵譜速率光泵譜粒子泵譜是泵譜粒子密度，泵譜粒子與工作物質(zhì)中處于能級(jí)Ｅ１粒子碰撞，導(dǎo)致工作物質(zhì)躍遷到能級(jí)Ｅ３的幾率1.直接泵譜82等于兩類粒子的平均相對(duì)速度與能量轉(zhuǎn)移截面的乘積如果粒子碰撞是通過(guò)氣體放電實(shí)現(xiàn)的，則優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單缺點(diǎn):1.難以產(chǎn)生足夠的增益B13（對(duì)光泵譜)或σ13(對(duì)粒子泵譜)太小2.難以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布[物理]激光的基本原理及其特性ppt課件832.間接泵譜優(yōu)點(diǎn):⑴中