激光原理技术及应用第一章第二章、

1、激光原理 上课时间：18周，复习 1周 成绩计算：考勤（10分），作业（30分），考试（60分） 参考书：激光原理技术及应用 李相银等，哈工大出版社 激光技术， 蓝信钜 等， 科学出版社 激光原理， 周炳琨 等，国防出版社qq: 422575911 Email: 课时及考试形形色色的激光 激光的原理及技术基础 激光工作物质及基本原理 光学谐振腔 激光器工作原理 典型的激光器件 激光技术教学内容 激光：Laser （light amplification by stimulated emission of radiation) 理论：量子理论 1917 爱因斯坦（美）

2、诞生：红宝石激光器 1960年 梅曼 （美） 半导体激光器 1960 年 尼古拉 .巴索夫（苏） 条形码扫描器：1974 激光盘播放机:1978 CD播放机：1982 光纤：1988 欧美第一章 激光的原理及技术基础 500万亿瓦，1000倍美国，400倍中国 2012年192束 三个足球场 10亿分之一秒，2mm国家点火装置(NIF) 2013,4000万度East托卡马克 2001建成 2011年升级 1013瓦 6kJ/ns 240mm口径神光二号 信息传播，存储 加工系统： 激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统 军事科技： 激光光谱、激光雷达、激光武器。 工业： 激光打标、激

3、光打孔、激光裁床、激光切割、激光绣花，激光热处理，激光快速成型。激光的应用 医疗卫生： 激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗。 炫酷： 影像在空中投影，手表上就可以没有表面，中间悬空显示时间， 日常生活： 激光灭蚊，也能分辨雌蚊子和雄蚊子之类光子的基本性质 一：高方向性高方向性和空间相干性空间相干性 探照灯：平面发散角 10 mrad W=L 激光器：平面发散角 10-4 mrad 激光器的平面发散角： ：波长 D：光束直径1.1 激光的特点 例题: 激光器的波长=2 m, 其输出孔径为2m, 当其传播到100km距离时，激光束的直径约为多少？激光平面发散角为多少？（1.22m） 相干光：频率

4、、偏振方向相同，位相差恒定 同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的 空间相干性：横向相干性空间相干性：横向相干性 相干长度相干长度： 相干相干截面截面： 在光束整个截面内的任意两点间具有完全确定的相位在光束整个截面内的任意两点间具有完全确定的相位关系的光场振动是完全相干的。关系的光场振动是完全相干的。1.1 激光的特点1.1 激光的特点二二、单色性和时间相干性、单色性和时间相干性 计算：计算：1 为使氦氖激光器的相干长度达到为使氦氖激光器的相干长度达到1km，它的单色性应该是多少？它的单色性应该是多少？(波长波长632.8nm) 2 普通光源氪灯发出的

5、波长605.7nm，低温下其谱线半宽度0.4710-6m, 求其相干长度。 相干光源：高的相干光强、大相干面积、长相干时间 激光：高单色性、高定向性。 单色亮度： 太阳光：2.610-12W/(cm2.Sr.Hz) 气体激光器： 10-2102 W/(cm2.Sr.Hz) 固体激光器： 10103 W/(cm2.Sr.Hz) 调Q大功率激光器：104107 W/(cm2.Sr.Hz)1.1 激光的特点三、高亮度和光子简并度1.1 激光的特点三、高亮度和光子简并度 作业：p21 T3,4 T3: 谱线宽度，半宽度？ 0.6310-9，是科学计数法？ T4 频率61014 Hz单位？ 简并度的计算

6、出现数量级错误？ 有效数字问题8.18210-3还是8.1810-3的问题 原子的内能：电子动能+位能 能级：分离的能级 E2, E1 自发辐射 受激吸收 受激辐射1.2 激光的产生一 原子能级 E1：基态能级 E2: 激光输出能级（亚稳态） E3: 抽运激光上能级 量子数反转：E2和E1 红宝石激光器 半数以上的粒子抽运1.2 激光的产生一 、三能级系统 E4: 抽运能级 E3: 激光输出能级 E2: 激光最终能级 E1: 基态1.2 激光的产生三 、四能级系统 上能级E2： g2能态，粒子数密度:n2 下能级E1：g1能态,粒子数密度:n1 热平衡：E2E1, T0 有： 粒子数反转：1.

7、2 激光的产生 四、粒子数反转条件 激光工作物质： 粒子数反转，产生激光 固体、液体、气体、自由电子 泵浦源： 光能、电能、化学能、原子能 光学谐振腔: 全反射镜，部分透射镜1.3 激光器的基本组成 一、基本结构 凹面反射镜： 凸面反射镜： 平面反射镜： 其中R: 曲率半径，f:焦距 S: 物距，S: 相距1.3 激光器的基本组成 一、基本结构几种谐振腔：半共焦腔非共焦平凹腔1.3 激光器的基本组成 一、基本结构 波长：X射线到毫米波波段 功率密度：1019 W/cm2 脉冲：610-15 s 1 固体激光器：广泛 ；红宝石、掺钕钇铝石榴石、钕玻璃激光器、钛宝石； 2.气体激光器：He-Ne,

8、 He-Gd, Ar+, N2, CO2, 准分子激光器大功率 3.半导体激光器：小，长寿，价低1.3 激光器的基本组成 二、激光器种类 4 染料激光器：连续调谐 5.化学激光器：波长范围大，定向能武器，HF 2.7um， 3MW 6.自由电子激光器1.3 激光器的基本组成 二、激光器种类 光线在谐振腔内的行为 稳定腔：能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振腔的腔。 双凸腔： 为非稳腔1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件 共焦腔条件：R1=R2=R L=R f1=f2=f=R/2光线在共焦腔内的行为凹面镜组成的非稳谐振腔 稳定腔 腔长L， 曲率半径R1, R2, 记 J1=1-L/R1,

9、J2=1-L/R2 稳定腔条件： （1）平凹腔： R2L (2) 双凹腔：R1L, R2L, 或R1L, R2L (3)凹凸腔：R1L, R1+R2R1-L稳定条件 非稳腔：J1J21 或 J1J20，傍轴光线有限溢出腔外 （1）双凸腔 （2）平凸腔 （3）平凹腔 0RL, (4) 双凹腔： R1L, 即J1J20或 R1+R21 （5）凹凸腔: R20, 0R1L, 即J1J20或R2L, 即J1J21。R1，R2分别为凹、凸面镜的曲率半径非稳腔 J1J2=0或J1J2=1的腔。 （1）对称共焦腔： R1=R2=L, 即J1=0, J2=0； （2）平行平面腔：J1=J2=1 （3）共心腔：

10、L=R1+R2, J1J2=1 临界腔介于稳定腔和非稳腔之间。临界腔 振荡模式：振荡频率和场强的空间分布。 电磁场空间分布：沿传播方向（腔轴方向）的E（z), 垂直于传播方向：E(x,y)。 在腔内可能存在的稳定光场的本征态。1.5 激光振荡模式 纵模，沿腔轴线方向电磁场的本征态，纵向光场分布. 纵模数多，单色性差。 横模，在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态，横向光场分布光腔模式 谐振条件：形成激光 a, b, c 相位差2的整数倍 设腔长L, 折射率，则： 由谐振条件： 谐振频率： 谐振频率间隔差：激光的纵模 腔长30cm的He-Ne激光器 线宽1.5109Hz， 频率间隔： L=10cm的

11、He-Ne激光器 Ne原子发射波长0.6328um的荧光线宽1.5109Hz。 单纵模激光器 多纵模激光器：L=30cm时，线宽5108Hz，出现三个纵模 影响纵模数的因素：荧光线宽，谐振频率间隔 线宽越大，纵模数越多； 谐振腔的频率间隔越小(L越大）， 纵模数越多 CO2, 10.6um 光谱线宽度：108Hz，腔长1m，频率间隔：=c/2L=1.5108Hz，单纵模 氩离子激光器0.5145um， 光谱线宽度6.0108Hz， 腔长1m时纵模间隔：1.5108Hz，多模 Nd3+-YAG 1.06um的光谱线宽度1.951011Hz，多模 横向强度分布 TEMmnq， mn， 横模指数，m

12、,n越大，图形越复杂，偏离光传播轴线越远 基横模光强高斯形，光场分布均匀。高阶横模分布不均匀，发散角大。 q 纵模指数, q越大，纵模数越多激光的横模 减少激光模式数，改善方向性，提高单色性；激光选模由 0J1J21 作图：J1=1-L/R1, J2=1-L/R2，一个光学谐振腔（R1,R2,L)对应一个点如平凹腔：LR2时，光子数增加 平行平面腔反射率r1、r2, 不完全反射 损耗系数r： 则： 谐振腔内损耗内， 则总损耗因子为： 光强随距离z变化： 阈值条件：激光振荡阈值条件 谐振腔品质因子Q: 知： 则： 由 得：谐振腔的品质因子与光谱线宽度 自然加宽： Q值越高，线宽越窄，单色性越好

13、稳定的激光增益等于损耗， Q值无穷大； 自发辐射的影响 纵模频率： 频率漂移：折射率和温度 He-Ne激光器， 百分之一， 106Hz，单模激光的线宽极限 2.1 黑体辐射与普朗克公式 绝对黑体：完全吸收投射于它的任何频率的电磁辐射的物体。 热辐射（温度辐射）：从任一物体发出 的电磁辐射。 黑体辐射：黑体内部辐射的能量等于 吸收能量时，黑体内部存在的辐射场。第二章 激光工作物质及基本原理 黑体辐射是黑体温度T和辐射频率的函数 单色能量密度：单位体积内频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量。单位：J.m-3.s 与腔体的材料和结构无关。 普朗克： 光量子：0=h黑体辐射 模式：振子的振动状态

14、。 温度T的热平衡条件下，黑体辐射分配到每个模式上的平均能量： 单位体积、频率在d间隔的光波模式数： 黑体辐射普朗克公式： 玻尔兹曼常数k=1.3806210-23 J/oC普朗克公式 黑体辐射是辐射场和物质原子相互作用的结果。 自发辐射、受激辐射、受激吸收 自发辐射光和物质的三种相互作用 自发辐射几率A21：单位时间内n2个高能态上的原子发生自发跃迁的原子数（dn21/dt)与n2的比值 (dn21)sp为自发辐射引起的由E2向E1跃迁的原子数 单位时间内E2能级上减少的粒子数密度： 则有：自发辐射 由能级平均寿命： 得： 比较： 得： A21： 自发辐射跃迁爱因斯坦系数 s ： 自发辐射寿

15、命 受激吸收跃迁：处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用下，吸收一个能量为h的光子并向E2能级跃迁。 受激辐射跃迁几率W12： A21只与原子本身性质有关，W12与原子本身和辐射场的成正比： B12： 受激辐射爱因斯坦系数，只与原子性质有关受激吸收 受激辐射：处于高能级E2的原子，在频率为的辐射场作用下，跃迁到低能级E1并辐射一个能量为h的光子，受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。 受激辐射跃迁几率： B21:受激辐射爱因斯坦系数。受激辐射 热平衡时： 即： 得： 由于： 及玻尔兹曼分布律： 得爱因斯坦关系式 要对任意h/kT都成立，必须有系数相等，当T趋向正无穷大时，有三种相互作用的

16、爱因斯坦关系式 当g1=g2时，有： 热平衡态的黑体辐射得出，适用于激光产生过程爱因斯坦关系式 自发辐射和受激辐射 T=1500K，500nm的辐射，自发辐射为受激辐射的2109倍。自发辐射和受激辐射比较 常温下： 即光入射后，因吸收而衰减受激辐射和受激吸收比较 单一频率自发辐射 单位体积内原子发出的自发辐射功率： 谱线加宽：由于各种物理因素的影响，自发辐射功率分布在（E2-E1)/h附近一个很小的频率范围内。 自发辐射为功率的函数p（） 总功率:谱线加宽及谱线宽度 归一化线形函数 谱线宽度：半极大值处对应的频率宽度谱线宽度 均匀加宽：加宽的物理因素对每个原子都是等同的 包括：自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽 自然加宽：自发辐射跃迁引起的加宽。