PH116-12 激光

1、激光激光激光是激光是2020世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为大发明，被称为“最快的刀最快的刀”、“最准的尺最准的尺”、“最亮的光最亮的光”和和“奇异奇异的激光的激光”。它的亮度可以为太阳光的。它的亮度可以为太阳光的100100亿倍。亿倍。激光（钱学森）、镭射，激光（钱学森）、镭射，LaserLaser：Light Amplification by Stimulated Emission of Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationRadi

2、ation通过受激辐射的光放大通过受激辐射的光放大2010年，激光年，激光50年！年！1958年，美国科学家肖洛和汤斯年，美国科学家肖洛和汤斯提出了提出了“激光原理激光原理”。肖洛和汤斯。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。未获成功。 1960年年7月月7日日，梅曼研制成功世，梅曼研制成功世界上第一台激光器，利用一个高界上第一台激光器，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱。相当集中的纤细红色光

3、柱。激光的诞生激光的诞生1964年的诺贝尔物理学奖颁给年的诺贝尔物理学奖颁给了了maser和和laser中国第一台激光器（中国第一台激光器（1961）中国第一台激光器（中国第一台激光器（1961）泵浦源：闪光灯泵浦源：闪光灯激光增益介质：激光增益介质：红宝石红宝石谐振器：反射镜谐振器：反射镜增益增益介质介质所有物质都是由大量的原子、分子所有物质都是由大量的原子、分子或离子等微观粒子组成，电子按最或离子等微观粒子组成，电子按最低能级依次排列称为原子的基态，低能级依次排列称为原子的基态，如果最外层电子在更高阶能级上，如果最外层电子在更高阶能级上，称为原子的激发态称为原子的激发态22611223 .

4、ssps2260112234 .sspssE1E2最外层电子1916年年, Einstein提出了粒子能级间的跃迁理论：提出了粒子能级间的跃迁理论：自发跃迁；受激跃迁（受激辐射，吸收）自发跃迁；受激跃迁（受激辐射，吸收）E1E2（一）自发跃迁（一）自发跃迁E1E221hEE假设单位体积粒子数假设单位体积粒子数N22212spdNA Ndt Einstein A系数21A自发辐射系数自发辐射系数（一）自发跃迁（一）自发跃迁E1E2（二）吸收（二）吸收E1E221hEE1121 dNB INdtEinstein B系数12W受激吸收系数受激吸收系数（二）吸收（二）吸收E1E2（三）受激辐射（三）受

5、激辐射E1E221hEE2212 stdNB INdtEinstein B系数21W受激辐射系数受激辐射系数 吸收率吸收率 自发辐射率自发辐射率 受激辐射率受激辐射率E2E11 dIBN Idt2dIANdt2dIBN Idt粒子粒子能级间的跃迁理论能级间的跃迁理论：自发跃迁，吸收，受激辐射：自发跃迁，吸收，受激辐射忽略自发辐射忽略自发辐射: :解为：解为： 光强随着传输距离以指数增加或衰减，一般情况，光强随着传输距离以指数增加或衰减，一般情况， N N2 2 N N N1 1, , 出现光的放大，我们定义增益出现光的放大，我们定义增益G G: :2121vgdIdIBN I -BN Idtd

6、z B N - NI21( )(0)expI zINNz21expGNNz受激辐射减去吸收受激辐射减去吸收吸收增益截面吸收增益截面21gNN12NNIf N2 N1:If N2 1 1, , 也就是受激辐射大于吸收也就是受激辐射大于吸收: : B NB N2 2 I B N I B N1 1 I I 或者或者, , 等价于等价于 这个条件成为粒子数反转，这个条件成为粒子数反转，自然条件下是不存在的自然条件下是不存在的. . 为了实现粒子数反转，我们必须对激光介质以某种形式进行作为了实现粒子数反转，我们必须对激光介质以某种形式进行作用，也必须正确选择激光介质。用，也必须正确选择激光介质。N N2

7、 2 N N1 1EnergyEnergy粒子数反转粒子数反转分子或原子分子或原子“负温度负温度”热平衡下，粒子数按能量分布服从热平衡下，粒子数按能量分布服从BolzmanBolzman分布分布212211exp1BEENgNgk TENE3E2E1ENE3E2E1泵浦二能级系统不能形成粒子数反转二能级系统不能形成粒子数反转二能级系统的粒子数速率方程二能级系统的粒子数速率方程2122()dNBI NNANdt1212()dNBI NNANdt222d NBI NANdt 吸收吸收受激辐射受激辐射自发辐射自发辐射12NNN12NNN总粒子数守恒，为总粒子数守恒，为 N: N:212122()()

8、NNNNNNN2d NBI NANA Ndt 21N2N102BI NANA N 1/satNNI I/2satIAB稳态情况下：稳态情况下：(2)ABINAN其中其中: : N N通常为正，不管光强通常为正，不管光强I I有多大，所以二能级系统不可能形成有多大，所以二能级系统不可能形成粒子数反转。粒子数反转。2d NBI NANA Ndt /(2)NANABI /(12/)NNBI A Isat 称为饱和强度称为饱和强度21N2N1二能级系统不能形成粒子数反转二能级系统不能形成粒子数反转假设泵浦到能级假设泵浦到能级3 3上的粒子迅速弛上的粒子迅速弛豫到能级豫到能级2 2（无辐射跃迁）（无辐射

9、跃迁）212dNBINANdt112dNBINANdt 1222d NBINANdt 吸收吸收自发辐射自发辐射12NNN12NNN总粒子数总粒子数 N: N:22NNNd NBINBI NANA Ndt Fast decayLaser TransitionPump Transition123能级能级3 3上粒上粒子数快速子数快速弛豫，粒弛豫，粒子数为子数为0 012NNN三能级系统能形成粒子数反转三能级系统能形成粒子数反转1/1/satsatI INNI I/satIA B稳态时稳态时: :()()ABINABI N其中其中: :如果如果 I Isat, N 能小于能小于0，形成粒子数反转，形

10、成粒子数反转! ()/()NN ABIABI Isat 是饱和光强是饱和光强d NBINBI NANA Ndt 0BINBI NANA N Fast decayLaser TransitionPump Transition123三能级系统能形成粒子数反转三能级系统能形成粒子数反转202dNBINANdt10,N 222()dNBI NNANdt2NN 激光发射泵浦快速弛豫快速弛豫1230由于由于02NNN总粒子数 N :02NNNd NBINBI NA Ndt稳态时：稳态时：0BINBI NA N四能级系统容易形成粒子数反转四能级系统容易形成粒子数反转假设泵浦到能级假设泵浦到能级1 1上的粒子

11、迅速弛上的粒子迅速弛豫到能级豫到能级0 0（无辐射跃迁）（无辐射跃迁）0BINBI NA N/1/satsatI INNI I /satIA B其中：其中：Isat 为饱和光强饱和光强现在现在， N is negativealways!(/)/(1/)NBIN ABI A /()NBINABI ()ABINBIN 四能级系统容易形成粒子数反转四能级系统容易形成粒子数反转激光发射泵浦快速弛豫快速弛豫1230二、三和四能级系统二、三和四能级系统二能级系统二能级系统Laser TransitionPump Transition最多粒子数反转为最多粒子数反转为0 0，不能产生激光，不能产生激光在历史上

12、，激光物理工作者经过一段时间后才理解到四能级系在历史上，激光物理工作者经过一段时间后才理解到四能级系统容易实现激光统容易实现激光产生粒子数反转和产生粒子数反转和激光容易激光容易! !Laser TransitionPump TransitionFast decayFast decayLevel empties fast!Laser TransitionPump TransitionFast decayMolecules accumulate in this level.如果泵浦很强，可如果泵浦很强，可以实现粒子数反转以实现粒子数反转Laser TransitionMolecules accum

13、ulate in this level.三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统受激辐射导致链式放大反应受激辐射导致链式放大反应Excited medium如果增益介质中有很多激发态粒子，一个光子可以变为很多光如果增益介质中有很多激发态粒子，一个光子可以变为很多光子，光放大效应这是激光产生的原因。子，光放大效应这是激光产生的原因。稳定激光的形成稳定激光的形成激光器的结构示意激光器的结构示意谐振腔谐振腔增益介质增益介质泵浦系统泵浦系统光学谐振腔光学谐振腔z z越长，越长， 越大。但要采用很长的增益介质是不现实的越大。但要采用很长的增益介质是不现实的谐振腔：谐振腔：1 1、增加有效长度；、增加有效

14、长度；2 2、模式选择、模式选择( )(0)gzI zIe全反射部分反射I21( )(0)expI zINNz21gNN20gdII e激光器三个组成部分：激光器三个组成部分：1.1. 增益介质：提供能级增益介质：提供能级2.2. 谐振腔：反馈，模式谐振腔：反馈，模式3.3. 泵浦：提供粒子数反转泵浦：提供粒子数反转（能量）（能量）增益：增益：20ddIII eIdz 损耗损耗 ：d2()0gdII e0IIg激光振荡条件激光振荡条件全反射部分反射21gNNg增益饱和：增益饱和：光放大，粒子数反转光放大，粒子数反转 下降下降随着光强随着光强I I增加而下降增加而下降0( )1sgg II I(

15、 )g I稳定时稳定时E1E1E2E2E1E1E2E221NN21()gNN01sgII连续激光稳定运转，激光光强取决于小信号增益（跃迁截连续激光稳定运转，激光光强取决于小信号增益（跃迁截面）、损耗和介质的增益饱和特性面）、损耗和介质的增益饱和特性01sgII一一损耗损耗二二小信号增益（跃迁截面）小信号增益（跃迁截面）三三介质的增益饱和特性介质的增益饱和特性如何提高连续激光产生的性能？如何提高连续激光产生的性能？一、损耗一、损耗 ：1 1、反射镜的透射及其镜面材料的吸收和散射、反射镜的透射及其镜面材料的吸收和散射2 2、衍射损耗、衍射损耗3 3、增益介质的吸收和散射、增益介质的吸收和散射4 4

16、、光学元件的吸收和损耗、光学元件的吸收和损耗01sgII如何提高连续激光产生的性能？如何提高连续激光产生的性能？二、二、小信号增益（跃迁截面）小信号增益（跃迁截面）：1 1、受激辐射几率大小、受激辐射几率大小2 2、激光上能级寿命、激光上能级寿命3 3、泵浦方式的选择、泵浦方式的选择0021gNN一一损耗损耗二二小信号增益（跃迁截面）小信号增益（跃迁截面）三三介质的增益饱和特性介质的增益饱和特性01sgII如何提高连续激光产生的性能？如何提高连续激光产生的性能？三、三、介质的增益饱和特性介质的增益饱和特性：取决于增益介质谱线加宽和取决于增益介质谱线加宽和激光能级的寿命等激光能级的寿命等22302122141hshnIc 一一损耗损耗二二小信号增益（跃迁截面）小信号增益（跃迁截面）三三介质的增益饱和特性介质的增益饱和特性1.1. 激光加工