激光原理课件教学课件

1、2. 单色性好单色性好激光原理激光原理 . 绪论绪论3. 能量集中能量集中4. 相干性好相干性好激光原理激光原理 . 绪论绪论空间高度集中：空间高度集中：亮度比太阳表面高亮度比太阳表面高 倍。倍。时间高度集中：时间高度集中：功率峰值为功率峰值为 瓦。瓦。 10101210二、激光的应用二、激光的应用1. 工业应用工业应用精密测量精密测量(距离、位移距离、位移)激光加工激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻切割、焊接、打孔、雕刻)光谱分析光谱分析2. 医学应用医学应用眼科眼科普通外科普通外科牙科牙科皮肤科皮肤科激光原理激光原理 . 绪论绪论3. 军事应用军事应用激光制导激光制导激光测距激光测距激光侦察

2、激光侦察大气激光通信大气激光通信激光原理激光原理 . 绪论绪论激光武器激光武器激光原理激光原理 . 绪论绪论4. 日常应用日常应用激光打印机激光打印机电脑光驱电脑光驱CD/VCD条形码扫描器条形码扫描器激光防伪激光防伪激光霓虹灯激光霓虹灯激光原理激光原理 . 绪论绪论激光原理激光原理 . 绪论绪论5. 通信领域的应用通信领域的应用（1）空间激光通信）空间激光通信激光原理激光原理 . 绪论绪论（2）光纤通信）光纤通信激光原理激光原理 . 绪论绪论光纤的优越性：光纤的优越性： 宽带宽带 不受电磁干扰不受电磁干扰 重量轻重量轻 低损耗低损耗光纤通信用光源：光纤通信用光源： 短距离通信用短距离通信用0

3、.85um0.85um；长距离通信用长距离通信用1.31um1.31um，1.55um 1.55um 光纤放大器：光纤放大器： 1.55um1.55um波段的掺铒光纤放大器（波段的掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）；）；1.31um1.31um的掺镨光纤放大器（的掺镨光纤放大器（PDFAPDFA）；）；1.271.271.67um1.67um全光波段的拉曼放大器（全光波段的拉曼放大器（RFARFA） 1480nm1480nm和和980nm980nm波长的半导体激光器是波长的半导体激光器是EDFAEDFA的的泵浦光源泵浦光源 三、激光技术发展史三、激光技术发展史1.1.19171917年：年：爱

4、因斯坦在爱因斯坦在关于辐射的量子力学关于辐射的量子力学一文预言了一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性; ;2. 20世纪世纪50年代：年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；汤斯和肖洛的光激射器理论； 激光器方案的提出；激光器方案的提出；3. 1960年：年：梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；制成世界上第一台激光器；4.4.19601960年至今：年至今：激光技术飞速发展。激光技术飞速发展。四、四、 Laser “激光激光”Laser“通过受激辐射实现光放大通过受激辐射实现光放大”Light Amplification of

5、 Stimulated Emission of Radiation激光原理激光原理 . 绪论绪论五、激光器种类五、激光器种类根据根据工作物质工作物质固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器：红宝石，：红宝石，Nd:YAGNd:YAG，钕玻璃，钕玻璃：HeNeHeNe，COCO2 2，离子激光器，离子激光器：染料激光器：染料激光器激光原理激光原理 . 绪论绪论第一章第一章 激光的基本原理激光的基本原理1.1 相干性的光子描述相干性的光子描述光波模式、光子状态、相格、相干体积光波模式、光子状态、相格、相干体积一、光波模式与光子态一、光波模式与光子态光的波

6、粒二象性光的波粒二象性波动说波动说微粒说微粒说激光原理激光原理 . 第一章第一章电磁理论电磁理论波动属性：波动属性：光波模式光波模式光子理论光子理论粒子属性：粒子属性： 光子态光子态1. 光波模式（用波动观点求光波模式数）光波模式（用波动观点求光波模式数）波矢：波矢：0kkn 2/k 0n ：波的传播方向：波的传播方向一个波矢对应两个光波模式一个波矢对应两个光波模式激光原理激光原理 . 第一章第一章有限空间有限空间V内：内：存在具有特定波矢的单色平面驻波。存在具有特定波矢的单色平面驻波。Vx y z 驻波条件驻波条件222xmynzq m、n、q为正整数为正整数激光原理激光原理 . 第一章第一

7、章/ 2xy自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在；自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在；2/k 222xyzkkk 222xmynzq xyzkmxknykqz 每组每组m、n、q对应一种光波模式对应一种光波模式（含两个偏振态）（含两个偏振态）激光原理激光原理 . 第一章第一章相邻模间隔：相邻模间隔：,xyzkkkxyz波矢空间中每个光波模式所占体积：波矢空间中每个光波模式所占体积：zkykxkk33xyzkkkx y zV 第一象限中第一象限中 区间体积：区间体积：kkdk2211482k dkk dk此体积内光波模式数：此体积内光波模式数：2322122k dkk dk

8、VV 22kc 2 ddkc 激光原理激光原理 . 第一章第一章 V体积空腔内，体积空腔内， 频率频率 内内 光波模式数：光波模式数：d 238dMVc 2. 光子（状）态：光子（状）态：相空间：相空间：xyzxyzppp， ， ， ， ，空间坐标空间坐标动量动量相空间内一点表示质点的一个运动状态。相空间内一点表示质点的一个运动状态。测不准关系：测不准关系：3xyzx y z ppph 相格：相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。同一光子态的光子所占的相空间体积元。结论结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分，同一相格中的光子运动状态无法区分， 它们属于同一光子态。它们属于同一光子态。33

9、xyzkkkx y zV 3xyzx y z ppph 2hPk 激光原理激光原理 . 第一章第一章结论结论2：一个光波模式一个光波模式 一个光子态。一个光子态。 二、光子的相干性二、光子的相干性相干光波：相干光波：频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。空间相干性空间相干性相干长度：相干长度：沿传播方向的相干长度。沿传播方向的相干长度。相干面积：相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。垂直于光传播方向截面上的相干面积。相干体积：相干体积：空间体积空间体积 内各点的光波场都具有明显内各点的光波场都具有明显 的相干性，则的相干性，则 为相干

10、体积。为相干体积。cVcVcccVAL激光原理激光原理 . 第一章第一章( )I I2I0 1c ccL 单色性越好，相干性就越好单色性越好，相干性就越好激光原理激光原理 . 第一章第一章相干时间：相干时间：光沿传播方向通过相干长度光沿传播方向通过相干长度 所需的时间。所需的时间。cLccL c 由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：两光波场具有明显相干性的条件：两光波场具有明显相干性的条件：12SS、xxLR xLR 22x 光源的相干面积光源的相干面积x 1S2SxLzRx激光原理激光原理 . 第一章第一章光源的相干体积：光源的相干体积：2332()c

11、ccccVAL 0hhPnPcc ，xyzhPPchPPchPPc 3323()xyzhPPPc322()ccx y zV 激光原理激光原理 . 第一章第一章结论结论3：相格的空间体积相格的空间体积 相干体积。相干体积。 相格空间体积相格空间体积结论：结论：处于同一相格中的光子数，处于同一相格中的光子数，三、光子简并度三、光子简并度n决定了相干光强，反映光源的单色亮度。决定了相干光强，反映光源的单色亮度。激光原理激光原理 . 第一章第一章一个光波模式所占空间体积一个光波模式所占空间体积 同一光子态所占空间体积同一光子态所占空间体积 相干体积相干体积 处于同一模式中的光子数，处于同一模式中的光子

12、数，处于相干体积内的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一光子态的光子数。处于同一光子态的光子数。1.2 光的受激辐射基本概念光的受激辐射基本概念一、光的受激辐射概念的产生一、光的受激辐射概念的产生普朗克普朗克1900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设；波尔波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。年，提出受激辐射概念。1. 黑体辐射的黑体辐射的Planck公式：公式：任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。黑体：黑体：能够完全吸收任何波长能够完全吸收任

13、何波长 的电磁辐射的物体。的电磁辐射的物体。空腔辐射体空腔辐射体激光原理激光原理 . 第一章第一章热平衡状态：热平衡状态：黑体吸收的辐射能量黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量黑体发出的辐射能量 单色能量密度单色能量密度 ：dEdVd Planck辐射能量量子化假说：辐射能量量子化假说：黑体辐射黑体辐射Planck公式：公式：33811hKThnEce 激光原理激光原理 . 第一章第一章热平衡状态下，黑体辐射分配热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量到腔内每个模式上的平均能量1hKThEe 腔内单位体积中频率处于腔内单位体积中频率处于 附近附近单位频率间隔内的光波模式数单位频率

14、间隔内的光波模式数338MnVdc 2. 跃迁：跃迁：跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：吸收跃迁： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低（自发辐射）（自发辐射）激光原理激光原理 . 第一章第一章3. 受激辐射：受激辐射：爱因斯坦爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。到热平衡，还必须存在受激辐射。二、自发辐射、受激吸收和受激辐射二、自发辐射

15、、受激吸收和受激辐射1. 自发辐射自发辐射2E1E发光前发光前h发光后发光后21hEE 激光原理激光原理 . 第一章第一章普通光源普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同振动方向、相位不一定相同为为非相干光非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：21A211SA 原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命2E只与原子本身性质有关，与辐射场无关只与原子本身性质有关，与辐射场无关激光

16、原理激光原理 . 第一章第一章2. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：1212WB 12B：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关激光原理激光原理 . 第一章第一章2E1E发光前发光前hh发光后发光后h21hEE 3. 受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。21h

17、EE 21B：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：2121WB 与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关激光原理激光原理 . 第一章第一章三、爱因斯坦三系数三、爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系212112ABB、热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率吸收率 （辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：221221112n An Bn B 各能级上的原子数密度（集居数密度）各能级上的原子数密度（集居数密度）123nnn、 、2

18、1()2211EEKTnfenf 12ff、能级能级 和和 的简并度，的简并度， 或称统计权重或称统计权重1E2E激光原理激光原理 . 第一章第一章21211121212/( ,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 激光原理激光原理 . 第一章第一章与与Planck公式比较公式比较33811hKThce 3213211212128Ahn hBcB fB f 结论：结论：1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。四、受激辐射的相干性四、受激辐射的相干性自发辐射：自发辐射：相互独立、互不相关。相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射：受激辐射产生