激光光谱学中的光源.ppt

第四章 激光光谱学中的光源,二十世纪四大发明,原子能、半导体、计算机、激光,1954年汤斯和肖洛实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激光器； 1958年普罗霍洛夫和巴索夫研制了振荡器和放大器。 汤、普、巴三人共同赢得了1964年的诺贝尔物理学奖。 1960年 梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光器,1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论；,能量集中，高方向性,高强度，高亮度,激光的特性,光束发散角=2 ,探照灯-35毫弧度=1度,激光-10-2毫弧度,单色性好,具有单一频率的光波称为单色光,单色性： / 或 氪灯10-6 普通氦氖激光10-12,投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里,测地月距离精度达几厘米,太阳表面亮度约103Wcm-2sr-1 ；大功率激光亮度1010 - 1017Wcm-2sr-1,强度：聚焦状态可达到,脉冲瞬时功率可达10 14 W,可产生108K的高温 引起核聚变,相干性强,相干长度：单色性越好，相干长度越长 普通光源几厘米 激光可达105千米,普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光.,光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。,微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差E，频率为 =E/h（h为普朗克常量）。,第一节 物质与光相互作用的规律,原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 ,且 ,这个过程称为光吸收.,1. 光吸收,2 自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,3 受激辐射,原子中处于高能级 的电子,会在外来光子(其频率恰好满足 )的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.,由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.,Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation,可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是激光。,第二节 粒子数反转,受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。,当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。,适当的工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子数反转。,1激光工作物质 必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段,第三节 激光器基本结构,2. 激励源（泵） 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为泵。,3谐振腔,所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：提供光学正反馈，限制激光的模式。,光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。,谐振腔基本类型,（1）、平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面反射镜构成,(2)、凹面反射镜腔,共焦腔：两反射镜焦距之和等于镜面间距f1+f2=L,当f1=f2时，为对称共焦腔,共心腔：两凹面镜的曲率中心在腔内重合,由相距为L，曲率半径分别为R1和R2的两块凹面反射镜构成。对于凹面反射镜，曲率半径R与焦距f的关系为：,R1+R2=L,(3)、平面凹面反射镜腔,半共焦腔。,谐振腔还可分为稳定腔和非稳定腔两种： 稳定腔：光在腔内不论反射多少次数始终不偏离腔体 非稳腔：光在腔内来回反射后偏离偏离腔体,2、无源腔的Q值 为存储在腔内的总能量，P单位时间内损耗的能量 腔损耗越小，Q越高,谐振腔的损耗,几何偏折损耗、衍射损耗、反射不完全引起的损耗、材料损耗,1、光子在腔内的平均寿命R 为各种原因引起的总损耗因子,激光器模式：横模和纵模,横模：反映激光输出横截面上的光强度分布情况 1）定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布 激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式， 2）激光横模的表示法：TEMmnTEM表示横电磁，m,n为序数，分别表示水平（x）和垂直（y）方向的极小值数目；TEM00表示基横模,基横模时腔内场分布,横模选择 在许多应用中，要求激光器具有很高的光束质量（方向性）。 从振荡模式中选出基横模TEM00，并抑制其他高阶振荡模，基模衍射损耗最小，能量集中在腔轴附近，使光束发散角得到压缩，从而改善其方向性。,纵模：反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化为的整数倍时，形成驻波，这时腔内的稳定光场分布称为纵模,横模与纵模的物理意义：谐振腔所允许的激光光场的各种纵向和横向的稳定分布模式,谐振频率,腔模记为,q是一个很大的数字，腔的谐振频率主要由纵模序数q决定,当腔内只存在单横模（TEM00）振荡时，频谱结构较为简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为,第四节 激光振荡,1. 增益,光在传播过程可以得到增强的介质称为增益介质,增益系数：,粒子数布居：,粒子数反转是在泵浦源的作用下获得的。泵浦源的作用可以用多种方法，最常用的，对固体与液体介质有光激发，气体介质用放电激发。但是泵浦源是无法对二能级系统造成粒子数反转的，需要用多能级系统，常用的有三能级与四能级系统。,实现能级2对能级1的粒子数分布反转要求：,为将粒子从能级0泵浦到能级2的净速率,增益系数,线型函数,均匀加宽情形,小信号增益时,非均匀加宽情形,增益饱和现象,2. 增益饱和现象,均匀加宽情形,非均匀加宽情形,2. 增益饱和现象,增益饱和现象,3.激光的阈值,激光增益介质除了增益G 以外，介质内还有损耗,谐振腔的两腔镜也有损耗,两腔镜的反射率,，,腔内激光在往返一次以后，光强比值,激光器的起振要求：,激光介质的阈值增益,阈值粒子反转数 ：,3.激光模式竞争,在激光谐振腔内，被放大的光必须是谐振腔的某个纵模。因此，除了介质的增益必需超过阈值外，只有在介质的增益曲线范围内某个谐振腔的纵模上才能形成激光。,开始时，,设在增益曲线属于均匀展宽，在增益范围内只有一个纵模频率,多个纵模情形，并且开始时它们的增益都满足,模式竞争:一个振荡模的增长把其余振荡模抑制下去的现象,4.烧孔现象,非均匀展宽介质,只要纵模的间隔足够大，整个增益曲线并不下降，增益饱和只在该振荡频率附近造成一个凹陷，称为烧孔现象,在非均匀展宽增益介质中可以实现多纵模振荡，靠近增益曲线中心的模，增益高，光强大，输出功率也高，而远离的模增益低，输出功率也低。,不同模的输出功率不同，说明不同运动速度的原子对不同纵模所作的贡献是不同的,与两列行波相同方向运动的两群原子的发射可进入同一个模,小信号增益越来越大，,调节腔长（即调节纵模频率）使激光振荡频率逐步向增益曲线中心频率 移动。,但同时对激光作贡献的原子减少,输出功率反而下降- 烧孔,第五节 光谱学中常用激光光源,1 固体激光器,将可激活离子掺杂到晶体或玻璃体中的一大类激光器；,一般采用光激发泵浦，如采用闪光灯或另一台激光来泵浦；,激光介质加工成圆柱状，称为激光棒；,为了有效地利用泵浦光能，需要加上聚光器；,一般脉冲方式运转。, Q开关技术,为何要调Q？,在强泵浦光作用下，粒子反转数的上升很快，建立起振荡，而振荡激光又将消耗粒子反转数，令其快速下降，振荡起来的激光很快熄灭；泵浦光还在持续照射，粒子反转数又重新建立，激光再次振荡。上述过程重复发生，出现多尖峰脉冲；在泵浦的持续照射时间内都有输出，使脉冲输出功率受到限制。,Q值是描述光学谐振腔的储能与损耗关系的参数，称为品质因素：,开关的基本思想是设法控制光腔在泵浦期间的损耗，使在泵浦脉冲前期腔的损耗很大，光的增益超过不了损耗，达不到激光起振的阈值；在泵浦脉冲作用下粒子反转数持续增长，待粒子反转数积累到很大数量，介质的增益足够大时，突然减小损耗，于是光的增益将大大超过损耗，在瞬间建立起很强的激光,电光调Q,格兰棱镜为偏振器，入射光经偏振器后成为与x轴相平行的线偏振光；,晶体KDP(磷酸二氘钾)在外加电压下它是一个双折射晶体，它的两个晶轴x与y分别与坐标轴x与y成45角，沿x晶轴的折射率小，沿y晶轴的折射率大。,当加有电压时，由于折射率不同导致传播速度的差异，沿x与y方向的线偏振光在晶体出射端将产生90度相位差，变为圆偏振光。它经反射镜反射返回到偏振器表面时退化为线偏振，但振动面转了90，就不能通过偏振器，也就回不到YAG晶体内。这相当于激光腔损耗很大。,撤消晶体上电压，上述效应不会产生，腔的损耗保持很小。实现谐振腔的值突变。可将数百us的泵浦脉冲宽度压缩在数ns时间内输出激光，光脉冲的瞬时功率达将到数百kW，以至GW以上.,两种常见的固体激光器,钇铝石榴石晶体中掺进,激光下能级:,激光上能级:,亚稳态能级，寿命约230us,，寿命很短，基本没有粒子布居,这两能级间容易获得粒子数反转，激光波长为1.064um.,闪光灯泵浦YAG激光器可以工作在每秒数十次的重复频率上,调Q的YAG激光器，基波1.06um,的单脉冲输出能量可到1000 mJ以上，脉宽在10-12 ns。倍频后，532ns波长的单脉冲能量在500 mJ 以上，脉宽在8 ns左右；355 ns波长的单脉冲能量在300 mJ 以上，脉宽在3 ns左右,钛宝石激光器,掺杂激活离子是Ti3+ 离子，激光输出波长范围从0.67m到1.1m。,离子激光作泵浦光源实现连续波运转;或二倍频的YAG激光作钛宝石激光的泵浦源,2 气体激光器, 利用原子或分子气体为工作物质的激光器；,泵浦方式主要为气体放电；,利用放电产生的等离子体中大量的电子与原子或分子之间或它们之间的碰撞使激光能级间实现粒子数反转；,气体物质通常为低增益介质，常使用凹面腔镜的稳定腔,He-Ne 激光器,放电管中典型的He气压为1.0mm汞柱，Ne气压为0.1mm汞柱，放电管点火电压约5KV,波长0.6328 um:,Ne的5S-3p跃迁,氩离子激光器,在0.5145um和0.4880um的两条谱线最强。,是可见光波段上的大功率连续波激光器,红外波段分子气体激光器,红外波段最重要的分子气体激光器,10.6um线附近,还有 10.57，10.59与10.61, 9.6um,激光器:,准分子激光器,准分子是一类特殊条件下的分子，它只在电子激发态时处于束缚态，而在基态时便不稳定地离解掉了，因而也称“激发态-基态复合物（“Excimer”）,最常应用的准分子激光有:,快速放电横向泵浦，脉冲工作方式,3液体激光器,染料激光器是以染料作为激光工作物质的激光