第1讲激光产生的基本原理

1、沈阳工业大学理学院 杨玉东1.1 激光原理简介激光原理简介一、原子的激发和辐射一、原子的激发和辐射二、粒子数反转二、粒子数反转 三、光学谐振腔三、光学谐振腔四、激光的特点四、激光的特点五、激光器种类五、激光器种类六、应用六、应用激光激光：受激辐射的光放大受激辐射的光放大Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于1960年，红宝石激光器年，红宝石激光器中国中国1961年年 基本原理是基于基本原理是基于1917年爱因斯坦提出的年爱因斯坦提出的受激辐射理论受激辐射理论一、

2、原子的激发和辐射一、原子的激发和辐射E2E1N2N1h 1. 自发辐射自发辐射原子处于激发态是不稳定的原子处于激发态是不稳定的会自发跃迁到低能级会自发跃迁到低能级同时放出一个光子同时放出一个光子这个过程叫这个过程叫自发辐射自发辐射 设设 N1 、N2 为处于为处于E1 、E2能级的原子数能级的原子数E2E1N2N1h 则在单位时间内从则在单位时间内从E2 E1自发辐射的原自发辐射的原子数为子数为 21212ddNA Nt21 自发辐射系数自发辐射系数- - 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率 2. 受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 另有某个能量为另有

3、某个能量为E2的高能级的高能级若原子处在某个能量为若原子处在某个能量为E1的低能级的低能级当入射光子的能量当入射光子的能量h 等于等于E2 E1时时原子就可能原子就可能吸收吸收光子光子而从低能级跃迁到高能级而从低能级跃迁到高能级这个过程叫这个过程叫受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 设设 N1 、N2 分别为处于分别为处于E1 、E2能级的原子数能级的原子数则单位时间内因吸收光子而从则单位时间内因吸收光子而从 E1E2 的原子数为的原子数为12121ddvNBNt B12 - 吸收系数吸收系数 是频率是频率 = (E2 E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度附近单位频率间隔内辐射场的

4、能量密度B12 -单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率3.受激辐射受激辐射若入射光子的能量若入射光子的能量h 等于原子高、低能级的能量差等于原子高、低能级的能量差E2 E1且高能级上有原子存在时且高能级上有原子存在时入射光子的电磁场就会入射光子的电磁场就会诱发诱发原子从高能级原子从高能级跃迁跃迁到低能级到低能级 同时，放出一个与入射光子同时，放出一个与入射光子完全相同完全相同的光子的光子h E2E1N2N1全同光子全同光子: :频率频率 相位相位 振动方向振动方向 传播方向传播方向 相同相同单位时间内从单位时间内从E2 E1的受激辐射的原子数为的

5、受激辐射的原子数为21212ddvNBNtB21 -单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率 B21- 受激辐射系数受激辐射系数 是频率是频率 = (E2 E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度附近单位频率间隔内辐射场的能量密度h E2E1N2N1A21 、B21 、B12 统称为爱因斯坦系数统称为爱因斯坦系数1917年，爱因斯坦从理论上得出：年，爱因斯坦从理论上得出：3211238hABc B21 = B1233/811vhv kThce 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式二、粒子数反转二、粒子数反转N2 N1 粒子数布居反转粒子数布居

6、反转因为因为 B21=B12要产生光放大必须要产生光放大必须 2112ddNN受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收12121ddvNBNt21212ddvNBNt2. 实现粒子数反转的必备条件实现粒子数反转的必备条件为了促使粒子数反转的出现为了促使粒子数反转的出现必须用一定的手段去必须用一定的手段去激发原子体系激发原子体系1) 依靠泵浦源激发原子依靠泵浦源激发原子粒子数反转态是粒子数反转态是非非热平衡态热平衡态激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等这称为这称为“泵浦泵浦”或或“抽运抽运”有三能级或三能级以上的能级系统有三能级或三能级以上的能级系统上能级应为上能

7、级应为“亚稳态亚稳态”（自发辐射系数小）（自发辐射系数小）2) 合适能级分布的工作物质合适能级分布的工作物质红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图1E2E基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态3E下能级不应是基态下能级不应是基态而且对下下能级的自发辐射要大而且对下下能级的自发辐射要大三、光学谐振腔三、光学谐振腔激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光为了为了强化强化光放大，应使受激辐射光反复光放大，应使受激辐射光反复多次通过多次通过工作物质工作物质实现这一目的的装置是实现这一目的的装置是光学谐振腔光学谐振腔在激活物质两侧配置两个反射镜，就构成了一个在激活物质两侧配置两个

8、反射镜，就构成了一个“光学谐振腔光学谐振腔”光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用1 )使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）（沿轴线）2 )增强增强光放大光放大作用（相当于延长了工作物质）作用（相当于延长了工作物质） 3 )使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）（选频）小结小结: 激光器的三个主要组成部分激光器的三个主要组成部分1.工作物质：工作物质：2.激励能源：激励能源：有合适的能级结构有合适的能级结构 能实现粒子数反转能实现粒子数反转3.光学谐振腔：光学谐振腔：保证光放大保证光放大使激光有良好的使激光有良好的方向性和单色性方向性和单色性使原子激发使原子激发 维持

9、粒子数反转维持粒子数反转谐振腔谐振腔例：例： He Ne 气体激光器的工作原理气体激光器的工作原理He是辅助物质是辅助物质 Ne是工作物质是工作物质He与与 Ne之比为之比为5 1 10 1 NeHe101 2s s S311 2s s S101 1s s S共振传共振传递递523ps525ps524ps523pp632.8nm62p自发辐射自发辐射1130,1,2PP1130,1,2PP11101233310,1,20,1,2P DPDSS氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转实现粒子数反转525ps523pp3321PS四、激光的特点四、激光的特点1.方向性极好方向性极好小到小到10 - 1

10、5 脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达10 14 W3. 强度极高强度极高聚焦状态可达到聚焦状态可达到217W/cm10 I可产生可产生108K的高温的高温 引起核聚变引起核聚变激光器能产生宽度极窄的光脉冲，激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用调使用调Q技术的激光器，可输出脉宽技术的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。 2、按工作方式分：按工作方式分：连续式连续式脉冲式脉冲式 3、按波长分：按波长分：

11、 极紫外极紫外可见光可见光红外红外/远红外远红外五、激光器种类：激光器种类：固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3:Cr，YAG:Nd) 液体（如染料激光器）液体（如染料激光器）气体（如气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓、半导体（如砷化镓、GaAs、InGaN）1 1、按工作物质分：、按工作物质分： 军事：激光制导、激光武器军事：激光制导、激光武器 加工：光刻、焊接、加工：光刻、焊接、切割、打孔、雕刻切割、打孔、雕刻 医疗：美容、手术医疗：美容、手术 核技术：核聚变点火核技术：核聚变点火 生活：光纤通讯、激光笔、光盘存储生活：光纤通讯、激光笔、光盘存储 科技：光源、激光冷却、全息、激

12、光光解科技：光源、激光冷却、全息、激光光解六、应用六、应用 激光核聚变激光核聚变这是这是激光核聚变激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大的高温）把大块硬质材料焊接在一起块硬质材料焊接在一起用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）（目前已是常规的医学手术）用脉冲的染料激光（波长用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素）处理皮肤色素处理前处理前处理后处理后RM1000显微共焦激光拉曼光谱仪显微共焦激光拉曼光谱仪光盘存储光盘存储光纤通信光纤通信50 m100 m皮皮芯（石英）芯（石英）光导纤维光导纤维光缆光缆光放大器光放大器光光缆缆金华金华传导原理：全反射传导原理：全反射光纤通信光纤通信光纤的优越性：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