第十七章(2)激光

1、1第第17章（二）激光原理章（二）激光原理2原子能、半导体、计算机、激光器原子能、半导体、计算机、激光器 20世纪的世纪的“新四大发明新四大发明” 激光是激光是20世纪四大发明之一，世纪四大发明之一，被人们誉为被人们誉为20世纪的世纪的“世纪之光世纪之光”。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation一、一、 概念：概念： “辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”1964年钱学森建议改名为年钱学森建议改名为“激光激光”。1917年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发射的存在。年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发射的存

2、在。1960年，梅曼（年，梅曼（Maiman) 成功制成第一台红宝石激光器。同年，成功制成第一台红宝石激光器。同年， 雅文（雅文（Javan）又制成了氦氖激光器。）又制成了氦氖激光器。1961年年9月：月：长春光机所邓锡铭和王之江制成了我国的第一台红长春光机所邓锡铭和王之江制成了我国的第一台红宝石激光器。宝石激光器。3二、特点：二、特点：1、单色性极好（、单色性极好（ 210-9nm）2、方向性极好（发散角、方向性极好（发散角10-4弧度）弧度）3、亮度极高（脉冲功率、亮度极高（脉冲功率1014瓦，是太阳表面亮度的瓦，是太阳表面亮度的1010倍）倍）4、相干性极好（相干长度达、相干性极好（相干

3、长度达102km） 三、种类：三、种类： 四、波长：四、波长：按工作方式分：连续式（功率可达按工作方式分：连续式（功率可达104 W）、脉冲式（瞬时功）、脉冲式（瞬时功率可达率可达1014 W ）按工作物质分：按工作物质分： 固体（红宝石固体（红宝石Al2O3）、液体（染料）、）、液体（染料）、 气气体（体（He-Ne，CO2）、半导体（砷化镓）、半导体（砷化镓GaAs）极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米(100 nm) (1.222 mm)41、自发辐射与受激辐射、自发辐射与受激辐射光与原子体系相互作用时，总是同时存在着吸收、自发辐射和光与原子体系相互作用时，总是同时存在着吸收、自发辐射和

4、受激辐射三种过程。受激辐射三种过程。设原子中有高低能级设原子中有高低能级E1和和E2 (E2E1)，则在常温下，物质的绝，则在常温下，物质的绝大部分原子都处于低能级大部分原子都处于低能级E1(基态基态)中。处于高能级中。处于高能级E2上的原子上的原子会自发地跃迁到低能级会自发地跃迁到低能级E1，辐射出光子，辐射出光子h，这个过程叫，这个过程叫自发辐自发辐射射。22,EN11,E N发光前发光前h发光后发光后21hEE 5设发光物质单位体积中处于能级设发光物质单位体积中处于能级E1, E2的原子数分别为的原子数分别为N1 , N2，则单位时间内从则单位时间内从E2向向E1自发辐射的原子数自发辐射

5、的原子数比例系数比例系数A21称为称为自发辐射概率自发辐射概率，它与外来辐射能量密度无关。，它与外来辐射能量密度无关。21212()dNA Ndt自原子吸收辐射原子吸收辐射h从低能级从低能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2，叫，叫受激吸收跃迁受激吸收跃迁。每秒吸收跃迁的原子总数与辐射场能量密度成正比并与处于低每秒吸收跃迁的原子总数与辐射场能量密度成正比并与处于低能级能级E1的原子数的原子数N1成正比成正比比例系数比例系数W12B12 (,T) 称为称为吸收概率吸收概率，其中，其中B12称为称为吸收系数吸收系数，(,T) 是辐射场能量密度。是辐射场能量密度。12121()dNW Ndt吸2E1E

6、吸收前吸收前h吸收后吸收后21EE 62E1E发光前发光前hh发光后发光后h处于高能级处于高能级E2的原子除了自发辐射外，还有一种辐射叫的原子除了自发辐射外，还有一种辐射叫受激辐受激辐射射。它是处于高能级。它是处于高能级E2的原子在外来辐射或某一原子的自发辐的原子在外来辐射或某一原子的自发辐射所放出的光子激发下，跃迁到低能级射所放出的光子激发下，跃迁到低能级E1而发出光子而发出光子h。受激。受激辐射每秒跃迁的原子数与高能级原子数辐射每秒跃迁的原子数与高能级原子数N2及辐射场能密度成正及辐射场能密度成正比比比例系数比例系数W21B21 (,T) 称为称为受激辐射概率受激辐射概率，其中，其中B21

7、称为称为受激受激辐射系数辐射系数，且，且B21B12；(,T) 是上述的辐射场能量密度。是上述的辐射场能量密度。21212()dNW Ndt受21EE (1)(1)只有外来光子的能量满足只有外来光子的能量满足 时才能引起受激辐射；时才能引起受激辐射；21hEE (2)(2)受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，及频率受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，及频率 相同、位相相同、偏振方向相同、传播方向相同。相同、位相相同、偏振方向相同、传播方向相同。7光子的状态，即光子的频率、位相、偏振方向和传播方向通常光子的状态，即光子的频率、位相、偏振方向和传播方向通常由量子数来描写。这些量

8、子数的每一种组合方式决定了光子的由量子数来描写。这些量子数的每一种组合方式决定了光子的一种状态，叫光的量子态一种状态，叫光的量子态(光子态光子态)。对给定的光源，可能有的。对给定的光源，可能有的光子态的数目是很多的。光子可处于其中一态，也可多个光子光子态的数目是很多的。光子可处于其中一态，也可多个光子占据同一态占据同一态(这一点与电子不同，因为光子是玻色子而电子是费这一点与电子不同，因为光子是玻色子而电子是费米子米子)。光子简并度决定相干光强，反映光源的单色亮度。光子简并度决定相干光强，反映光源的单色亮度。光子简并度光子简并度相干光强是描述光的相干性的参量之一，相干光强决定于具有相干光强是描述

9、光的相干性的参量之一，相干光强决定于具有相干性光子的数目或同态光子的数目。相干性光子的数目或同态光子的数目。 处于同一光子态的光子数称为光子的简并度，用处于同一光子态的光子数称为光子的简并度，用 表示。表示。8自发辐射的光子简并度很低，这样的辐射光叫普通光，其单色自发辐射的光子简并度很低，这样的辐射光叫普通光，其单色性和相干性都很差。性和相干性都很差。按照辐射的量子理论，受激辐射产生出来的光子其量子态与原按照辐射的量子理论，受激辐射产生出来的光子其量子态与原光子完全相同。如果原子体系中有许多原子都处于某一相同的光子完全相同。如果原子体系中有许多原子都处于某一相同的激发态能级，则其中某一原子的自

10、发辐射产生的光子就可以促激发态能级，则其中某一原子的自发辐射产生的光子就可以促使处于同一激发态的其他原子发生受激辐射而放出同样的光子。使处于同一激发态的其他原子发生受激辐射而放出同样的光子。 这一过程将以连锁反应的方式在很短时间内完成，从而产生出这一过程将以连锁反应的方式在很短时间内完成，从而产生出大量完全相同的光子，这一过程称为大量完全相同的光子，这一过程称为光放大光放大。如果我们提供了如果我们提供了合适条件，实现了这种光放大，就能得到大量高简并度的光子，合适条件，实现了这种光放大，就能得到大量高简并度的光子，产生出单色性和相干性都很好的光束，即获得了产生出单色性和相干性都很好的光束，即获得

11、了激光激光。921()/21EEkTNeN2.粒子数反转粒子数反转一般情况下，处于温度为一般情况下，处于温度为T的平衡态下的体系，在各能级上的的平衡态下的体系，在各能级上的原子数由玻耳兹曼分布确定，即有原子数由玻耳兹曼分布确定，即有这就是说，处于最低能级的原子最多，能级越高，处于该能级这就是说，处于最低能级的原子最多，能级越高，处于该能级的原子数就越少。的原子数就越少。实际上，激发态与基态之间的能量差一般大约是实际上，激发态与基态之间的能量差一般大约是 1 eV，因此，因此，常温的常温的(T300 K)平衡态下，平衡态下， ，即处于激发态的原，即处于激发态的原子数微乎其微。子数微乎其微。382

12、1/NNe受激吸收与受激吸收与E1的原子数的原子数N1成正比，受激辐射与成正比，受激辐射与E2的原子数的原子数N2 成成正比。当正比。当 时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的。可能实现光放大的。21NN10要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使的玻耳兹曼分布，使N2N1.我们称体系的这种状态为我们称体系的这种状态为粒子数粒子数反转反转(或或“负温度负温度”体系体系)。所以，产生激光的首要条件是实现。所以，产生激光的首要条件是实现粒子数反转。粒子数反转。右图

13、所示是粒子右图所示是粒子数反转的实现，数反转的实现，(四能级系统四能级系统) 。 能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能量输入系统。供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能态去的过程称为态去的过程称为抽运过程抽运过程。11由于由于E3能级的寿命较能级的寿命较长，长，E3能级上将停留能级上将停留有大量原子，而处于有大量原子，而处于E2能级上的原子数目能级上的原子数目

14、极少，如极少，如 (b)图所示。图所示。这样就建立起了一个这样就建立起了一个粒子数反转体系。粒子数反转体系。当用频率为当用频率为(E4E1)/h的光照射时，一部分原子将迅速跃迁的光照射时，一部分原子将迅速跃迁到到E4能级，从而使该能级上原子数大为增加。但是，处于能级，从而使该能级上原子数大为增加。但是，处于E4能能级的原子将迅速以与其他原子碰撞等无辐射跃迁跳到平均寿命级的原子将迅速以与其他原子碰撞等无辐射跃迁跳到平均寿命较长的较长的(约约1031 s)亚稳态亚稳态E3能级上去。能级上去。 此时，从此时，从E3E2的自发辐射就会引起连锁的受激辐射，其频的自发辐射就会引起连锁的受激辐射，其频率率3

15、2(E3E2)/h 。123、光学谐振腔、光学谐振腔自发辐射概率与辐射场的能量密度无关，而受激辐射概率与自发辐射概率与辐射场的能量密度无关，而受激辐射概率与辐射场的能量密度成正比。因此，在激光器中我们利用辐射场的能量密度成正比。因此，在激光器中我们利用光学光学谐振腔谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。概率。如图所示，光学谐振腔的如图所示，光学谐振腔的主要部分是两个互相平行主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的并与激活

16、介质轴线垂直的反射镜的反射镜 M1和和 M2。其中。其中M1 是全反射镜，是全反射镜，M2 是部是部分反射镜。分反射镜。光学谐振腔光学谐振腔13在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在能级振腔内的激活介质将会在能级E3和和E2之间实现粒子数反转，这之间实现粒子数反转，这时由自发辐射产生的频率为时由自发辐射产生的频率为(E3E2)/h 的光子就会激发的光子就会激发 E3能级上的原子产生受激辐射。能级上的原子产生受激辐射。在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的

17、光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程这是一种雪崩式的放大过程 ，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射。所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射。这种受激的辐射光从部分反射镜这种受激的辐射光从部分反射镜 M2输出，它就是激光。输出，它就是激光。沿其他方向传播的光很快

18、从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。而自发辐射产生的频率不等于而自发辐射产生的频率不等于(E3E2)/h 的光，由于根本不可的光，由于根本不可能引起受激辐射，也得不到放大。能引起受激辐射，也得不到放大。14因此，实际上输出的仅是频率因此，实际上输出的仅是频率(E3E2)/h 的沿轴向传播的激的沿轴向传播的激光。因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。光。因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。在实际激光器中，存在着使光强减弱的各种损耗。如介质的吸在实际激光器中，存在着使光强减弱的各种损耗。如介质的吸收及散射等。只有当光在

19、谐振腔中来回一次所得到的增益收及散射等。只有当光在谐振腔中来回一次所得到的增益(增益增益G定义为光通过谐振腔单位长度时光强增加的比例定义为光通过谐振腔单位长度时光强增加的比例)大于同一过大于同一过程的损耗时，光放大才会实现。产生激光的最小增益称为阈值程的损耗时，光放大才会实现。产生激光的最小增益称为阈值增益增益(或阈值条件或阈值条件)，记为，记为Gm。计算表明。计算表明1211ln2mGLR R式中式中L是谐振腔长度，是谐振腔长度，R1与与R2分别是两反射镜的反射系数。这分别是两反射镜的反射系数。这就是产生激光所必须满足的阈值条件。就是产生激光所必须满足的阈值条件。154、 横模与纵模横模与纵

20、模激光模式有横模与纵模之分。按光的波动理论，简单地说，激光模式有横模与纵模之分。按光的波动理论，简单地说，在与谐振腔轴线垂直的截面上形成的光的横向驻波模式称为在与谐振腔轴线垂直的截面上形成的光的横向驻波模式称为横模横模。产生横模的原因很多，其中主要是不沿轴线方向传播。产生横模的原因很多，其中主要是不沿轴线方向传播的光束相互加强干涉引起的。的光束相互加强干涉引起的。不同频率的光束在沿谐振腔轴线方向上形成不同的纵向驻波不同频率的光束在沿谐振腔轴线方向上形成不同的纵向驻波模式称为模式称为纵模纵模，也叫轴模。显然，纵模是由频率不同引起的。，也叫轴模。显然，纵模是由频率不同引起的。 谐振腔除了实现光振荡

21、的作用外，还有一个作用就是选频，谐振腔除了实现光振荡的作用外，还有一个作用就是选频，即通过缩短谐振腔长度以扩大相邻两纵模的频率间隔达到减即通过缩短谐振腔长度以扩大相邻两纵模的频率间隔达到减少纵模个数的目的。少纵模个数的目的。 16在两反射镜间沿轴向行进的光束，由于谐振腔长度在两反射镜间沿轴向行进的光束，由于谐振腔长度L与光波与光波波长之比是一个很大的数目，所以有许许多多波长不同的光波长之比是一个很大的数目，所以有许许多多波长不同的光波能符合反射加强的条件，即波能符合反射加强的条件，即11222nLKK 式中式中n是腔内激活介质的折射率，是腔内激活介质的折射率，K是纵模模数。是纵模模数。 根据原

22、子处于激发态的平均寿命根据原子处于激发态的平均寿命108s，按测不准关系，从，按测不准关系，从E 和和Eh可推知可推知 ，即谱线的自然，即谱线的自然宽度约为宽度约为107Hz；再加上其他因素；再加上其他因素(碰撞增宽与多普勒增宽碰撞增宽与多普勒增宽)，一，一般谱线宽度为般谱线宽度为109Hz。12Evh 由上式微分可知，两相邻纵模由上式微分可知，两相邻纵模K与与K1之间的波长间隔为之间的波长间隔为 22KnL 17因此在腔长因此在腔长L内能获得干涉加强的纵模的个数内能获得干涉加强的纵模的个数而频率间隔为而频率间隔为22ccvnL 92102vvnLNnLvcc还是有限的几个。如还是有限的几个。

23、如632.8 nm的的He-Ne激光，激光，109Hz而而15107Hz，则最大模数，则最大模数N6。如果腔长。如果腔长L再变短，则模数再变短，则模数N还可以减少。还可以减少。18激光器基本上由三部分组成：激光器基本上由三部分组成：1、工作物质：、工作物质：这是发射激光的发光材料。这是发射激光的发光材料。2、共振腔：、共振腔：由放在工作物质两端的反射镜构成的光学系统。由放在工作物质两端的反射镜构成的光学系统。要求：要求：(1)光学性质均匀，光学透明性良好，性能稳定；光学性质均匀，光学透明性良好，性能稳定； (2)具有亚稳态能级；有较高的量子效率。具有亚稳态能级；有较高的量子效率。作用作用：(1

24、)正反馈作用；正反馈作用；(2)选模作用。选模作用。 3、泵浦源、泵浦源: 向工作物质供应能量，把原子，分子从基态激发向工作物质供应能量，把原子，分子从基态激发到高能态，以形成粒子数反转；抵消损耗。到高能态，以形成粒子数反转；抵消损耗。常用泵浦源：光学泵源、气体放电泵源、粒子束泵源、化学常用泵浦源：光学泵源、气体放电泵源、粒子束泵源、化学泵源。泵源。191、单色性好、单色性好光的谱线宽度光的谱线宽度描述了光的单色性。单色性较好的普通光描述了光的单色性。单色性较好的普通光107109Hz，而经过稳频的，而经过稳频的He-Ne激光器、波长为激光器、波长为632.8nm的红光可得到频宽的红光可得到频

25、宽101Hz。单色性提高了。单色性提高了108109倍以上。激光极好的单色性使得激光可作为长度标准进行倍以上。激光极好的单色性使得激光可作为长度标准进行精密测量。精密测量。2、方向性好、方向性好光的方向性用光束的发散角来度量。激光的发散角可以做到光的方向性用光束的发散角来度量。激光的发散角可以做到小于或等于小于或等于103105 rad。因此激光束几乎是平行光束，若。因此激光束几乎是平行光束，若将激光射向几千米之外，光束直径也只增加几厘米。根据这将激光射向几千米之外，光束直径也只增加几厘米。根据这一特性可把激光用于定位、导向、测距等工作。一特性可把激光用于定位、导向、测距等工作。203、相干性

26、好、相干性好 光束的空间相干性是与方向性光束的空间相干性是与方向性(发散角发散角)紧密相关的。激光具有紧密相关的。激光具有极好的方向性即意味着同时具有极好的空间相干性，用它作极好的方向性即意味着同时具有极好的空间相干性，用它作相干光源时，干涉图样有良好的可见度。光束的时间相干性相干光源时，干涉图样有良好的可见度。光束的时间相干性与单色性紧密相关与单色性紧密相关.激光具有极好的单色性即意味着它同时具激光具有极好的单色性即意味着它同时具有极好的时间相干性，用它作相干光源可以观察到较高级次有极好的时间相干性，用它作相干光源可以观察到较高级次的干涉条纹，可以进行长距离范围的精密测量。的干涉条纹，可以进

27、行长距离范围的精密测量。4、能量集中、能量集中由于激光束方向性好，使能量在空间高度集中，利用激光脉由于激光束方向性好，使能量在空间高度集中，利用激光脉冲或锁模调冲或锁模调Q等措施，还可以使能量压缩到极短时间内发射，等措施，还可以使能量压缩到极短时间内发射，所以激光光源有极大的亮度。所以激光光源有极大的亮度。21激光在各个技术领域中的广泛应用基本上是利用了激光是定激光在各个技术领域中的广泛应用基本上是利用了激光是定向的强光和很好的单色相干性方面的特性。但是激光这两方向的强光和很好的单色相干性方面的特性。但是激光这两方面的特性往往不能截然分开，所以有的应用面的特性往往不能截然分开，所以有的应用(如

28、非线性光学如非线性光学)与与激光的两方面特性都有关。激光的两方面特性都有关。激光测距有三种方法：激光测距有三种方法：u 其一是干涉测长，利用激光优越的相干性，以激光波长为其一是干涉测长，利用激光优越的相干性，以激光波长为基准，测量干涉条纹数目的变化即可转换为长度的变化。基准，测量干涉条纹数目的变化即可转换为长度的变化。u 其二是激光调制测距，对激光加以强度调制后发射出去，接其二是激光调制测距，对激光加以强度调制后发射出去，接收到被照射物的反射光，求出发射光与反射信号调制波的位相收到被照射物的反射光，求出发射光与反射信号调制波的位相差，即可转换成被测距离。差，即可转换成被测距离。u 其三是激光雷

29、达测距，测量激光脉冲往返时间即可以精确测其三是激光雷达测距，测量激光脉冲往返时间即可以精确测定目标离我们的距离。定目标离我们的距离。1、激光测距、激光测距222、激光加工与激光医疗、激光加工与激光医疗激光的空间相干性很好，能把光束聚焦成光强激光的空间相干性很好，能把光束聚焦成光强1061010 W/cm2以上的小光斑，它能以很精细的以上的小光斑，它能以很精细的(约约1 m)的空间尺度加热材料，的空间尺度加热材料，达到打孔、焊接、机械加工以及控制加热以产生材料的结构变达到打孔、焊接、机械加工以及控制加热以产生材料的结构变化等。同时，特定的材料对合适波长的激光吸收深度很小，可化等。同时，特定的材料

30、对合适波长的激光吸收深度很小，可以在材料表面浅层加热，并且不会污染材料。激光光束甚至可以在材料表面浅层加热，并且不会污染材料。激光光束甚至可以穿过任何透射材料去加工密闭的内部零件。以穿过任何透射材料去加工密闭的内部零件。激光的这种高强度的聚焦光束也广泛用于医学领域。它不仅可激光的这种高强度的聚焦光束也广泛用于医学领域。它不仅可用做手术刀，高度精确地选择病变部位进行手术，而且还可利用做手术刀，高度精确地选择病变部位进行手术，而且还可利用激光的光致离解作用清除病变组织而保护健康的组织；可以用激光的光致离解作用清除病变组织而保护健康的组织；可以利用激光诱发的冲击波清除续发性白内障，配合使用光导纤维利用激光诱发的冲击波清除续发性白内障，配合使用光导纤维能用来粉碎各种体内器官的结石。能用来粉碎各种体内器官的结石。233、光信息处理和激光通信、光信息处理和激光通信激光在信息处理方面的应用，其一是光盘的高速高密度记录。激光在信息处理方面的应用，其一是光盘的高速高密度记录。无论是声盘或视盘利用调制方法把激光束变成数字激光信