激光的基本原理

1、张张 浩浩 目 录1.1.激光的发展激光的发展2.2.激光的特性激光的特性3.3.激光的基本原理激光的基本原理4.4.激光的模式激光的模式 1.激光的发展1.1 爱因斯坦的理论贡献爱因斯坦的理论贡献1917年提出光受激辐射的概念，年提出光受激辐射的概念，从理论上预见了激光产生的可从理论上预见了激光产生的可能性。能性。 但是普通光源以自发辐射为主，但是普通光源以自发辐射为主，受激辐射成分很少，当初没有受激辐射成分很少，当初没有受到重视。受到重视。 1.2 第一第一台激光器的诞生台激光器的诞生1960年年7月月8日，美国科学家梅曼发明日，美国科学家梅曼发明了世界第一台红宝石激光器，波长为了世界第一

2、台红宝石激光器，波长为649.3nm。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，LASER) 2. 激光的特性激光的特性可以概括为激光的特性可以概括为单色性，方向性，相干性和高亮度单色性，方向性，相干性和高亮度 。l单色性单色性 一个光源发射的光所包含的波长范围越窄，它的颜色越一个光源发射的光所包含的波长范围越窄，它的颜色越单纯，即光源的单色性越好。单纯，即光源的单色性越好。单色性单色性最好的氪同位素最好的氪同位素Kr86灯：灯：单色性单色性/ =10-6数量级数量级单模稳频氦氖激光器：单模稳频氦氖激光器：单色性单色性/

3、 =10-1010-16数量级数量级l方向性方向性一束激光射到一束激光射到38.6 38.6 万千米的月球万千米的月球上，光斑的直径上，光斑的直径只有只有大约大约1 1千米千米。激光测量激光测量地月距离精度约为地月距离精度约为 15cm15cm激光最小发散角激光最小发散角l相干性相干性 1.1.时间相干性时间相干性描述沿光传播方向上各点的相位关系。描述沿光传播方向上各点的相位关系。 相干时间相干时间tc：指光束传播方向上某点处，可以使两指光束传播方向上某点处，可以使两个不同时刻的光波场之间有相干性的最大个不同时刻的光波场之间有相干性的最大时间间隔，即时间间隔，即光源所发出的有限长波列的持续时间

4、。光源所发出的有限长波列的持续时间。 相干长度相干长度Lc：可以使光束传播方向上两个不同点处可以使光束传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔，即光源的光波场具有相干性的最大空间间隔，即光源所发出所发出的的光波列长度。光波列长度。2 2. .空间相干性空间相干性:描述垂直于光束传播方向的波面上各点描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的位相关系。指光场中不同空间点在同一时刻光之间的位相关系。指光场中不同空间点在同一时刻光场的相干性，可用相干面积场的相干性，可用相干面积 S 来描述来描述高高亮度亮度 光源光源的单色亮度的单色亮度定义为光源在单位面积、单位频带宽定义为光源在单位面积、

5、单位频带宽度度和单位和单位立体角内发射的光立体角内发射的光功率。功率。 3.激光的基本原理3.1 3.1 三种跃迁过程三种跃迁过程l自发辐射自发辐射：无：无外电磁场作用时外电磁场作用时, , 粒子自发地从粒子自发地从E E2 2跃迁到跃迁到E E1 1发射发射光子光子hvhv，光子的相位，方向是随机的，所以非相干。，光子的相位，方向是随机的，所以非相干。l受激辐射受激辐射：原处：原处于高能级于高能级E E的的粒子粒子, ,受到受到能量恰为能量恰为=hvhv=E=E2 2 - - E E1 1的的光子的激励光子的激励, ,发射发射出与入射光子出与入射光子相同相同的一个光子而跃的一个光子而跃迁到低

6、迁到低能级能级E E1 1l受激吸收受激吸收：原处于低能级：原处于低能级E E的的粒子粒子, , 受到能量恰受到能量恰为为=hvhv=E=E2 2 - E- E1 1的光子的光子照射而吸收该光子的能量照射而吸收该光子的能量, ,跃迁到高跃迁到高能级能级E E2 2 3.2 3.2 两个能级的粒子数两个能级的粒子数3.3 激光产生的条件3.3.1 3.3.1 受激辐射光放大受激辐射光放大在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为种现象称为受激光受

7、激光放大放大。由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它们们是相干是相干的，在受激辐射中产生并被放大了的光，便的，在受激辐射中产生并被放大了的光，便是是激光激光。通常情况下受激辐射概率是通常情况下受激辐射概率是微乎其微微乎其微的。的。3.3.2 粒子数反转粒子数反转当物质处于热平衡状态时当物质处于热平衡状态时，粒子数反转，粒子数反转是不可能是不可能的。的。要要想实现集居数想实现集居数反转：反转：外界向物质提供能量（泵浦）外界向物质提供能量（泵浦）高高能级有较长的寿命能级有较长的寿命3.3.3 3.3.3 激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统二二

8、能级系统上下能级的粒子能级系统上下能级的粒子数密度之比：数密度之比：3.3.4 3.3.4 光的自激振荡光的自激振荡光学谐振腔光学谐振腔 光发大原理振荡条件振荡条件 产生产生激光振荡的必要条件：激光振荡的必要条件：增益大于增益大于损耗损耗 阈值条件阈值条件：激光器实现自激振荡所需要的最低条件。：激光器实现自激振荡所需要的最低条件。激光产生需满足的三个条件：激光产生需满足的三个条件： 有有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子激活粒子（原子，分子原子，分子或离子）有适合于产生受激辐或离子）有适合于产生受激辐射的射的能级结构能级结构 有有外界激励源，使激光上、下能级之间产生集居外界激励源，使激光上、下能级之间产生集居数数转转 有激光谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔有激光谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内内维持维持振荡振荡。 4.激光的模式激光场激光场的每种本征状态具有一定的振荡频率和空间分的每种本征状态具有一定的振荡频率和空间分布，称为一布，称为一种激光种激光模式模式。 激光激光模式模式分为：分为：纵模纵模表示表示谐振腔内沿纵向的电磁场谐振腔内沿纵向的电磁场分布分布横模横模表示在垂直表示在垂直于光轴的横截面上的电磁场分布于光轴的横截面上的电磁场分布 纵 模 横