第一章激光原理概论

1、第一章第一章 激光原理概论激光原理概论任课教师：左青卉任课教师：左青卉光电子技术基础光电子技术基础本章内容提要本章内容提要相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源激光产生的物质基础激光产生的物质基础激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法开放式光学谐振腔和高斯光束开放式光学谐振腔和高斯光束激光原理概论激光原理概论相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源各种小型光源发光二极管（信息处理用光源发光二极管显示器场致发光液晶显示器荧光显示器等离子体管阴极射线管显示光源灯）本征场致发光灯（固体白炽灯气体放电灯、荧光灯照明光源非相干光源激光的和频与差频激光产生高次谐波光参量振荡非线性光学器件子体体

2、激光器激光相干光源器件源光LED)()(激光器等离半导染料激光器固体激光器气体激光器LEDEL光源器件光源器件主要是指电光变换器件，分成主要是指电光变换器件，分成相干光源相干光源和和非相干光源非相干光源光源器件的分类光源器件的分类各种小型光源发光二极管（信息处理用光源发光二极管显示器场致发光液晶显示器荧光显示器等离子体管阴极射线管显示光源灯）本征场致发光灯（固体白炽灯气体放电灯、荧光灯照明光源非相干光源激光的和频与差频激光产生高次谐波光参量振荡非线性光学器件子体体激光器激光相干光源器件源光LED)()(激光器等离半导染料激光器固体激光器气体激光器LEDEL着重由电转换成光的能着重由电转换成光的

3、能量转换效率和颜色量转换效率和颜色着重显示图象的清晰度、着重显示图象的清晰度、对比度、色彩饱和度等对比度、色彩饱和度等着重光的单色着重光的单色性和高速脉冲性和高速脉冲性性激光原理概论激光原理概论非相干光非相干光相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源来源来源原子或分子体系的自发辐射原子或分子体系的自发辐射特点特点各原子自发辐射的光波方向、频率及相位等都是不确定各原子自发辐射的光波方向、频率及相位等都是不确定的、分散的的、分散的杂乱无章的噪声光杂乱无章的噪声光传输衰减，即出射光强恒小于入射光强传输衰减，即出射光强恒小于入射光强方向：四面八方无规则辐射方向：四面八方无规则辐射频谱：如同火花放电，是

4、白噪声频谱：如同火花放电，是白噪声连续性：无数衰减脉冲光的集合连续性：无数衰减脉冲光的集合( (图图(a)(a)强度：光波亮度很低强度：光波亮度很低非相干光非相干光相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源(a)(a)普通光源产生的非相干光普通光源产生的非相干光（与人为形成且相位一致的电波相比）（与人为形成且相位一致的电波相比）非相干光源非相干光源相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源 18781878年年1212月，英国月，英国 斯万（斯万（SwanSwan）发明电灯泡。）发明电灯泡。 18791879年年1010月，美国月，美国 爱迪生（爱迪生（EdisonEdison）质量更好的电灯泡。

5、）质量更好的电灯泡。 19381938年，美国年，美国 纽曼（纽曼（NeumanNeuman）等）等 研制成荧光灯研制成荧光灯 目前目前, , 呈现固体灯取代荧光灯的趋势。呈现固体灯取代荧光灯的趋势。 固体灯：利用超高亮度白光二极管或其他场致发光管制作固体灯：利用超高亮度白光二极管或其他场致发光管制作 优点：体积小、转换效率高、耗电省、加压低优点：体积小、转换效率高、耗电省、加压低 应用：已有交通灯、路标、宣传、广告牌、家用灯等应用：已有交通灯、路标、宣传、广告牌、家用灯等相干光源相干光源相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源相干光源相干光源能够在时间、空间上相位同步的光波（即无限连续光波）

6、能够在时间、空间上相位同步的光波（即无限连续光波）形成的光源。形成的光源。分类分类包括激光器和由激光与非线性光学材料相互作用而产包括激光器和由激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光（如高次谐波、和频波、差频波、生的各种新的相干光（如高次谐波、和频波、差频波、光参量振荡、受激拉曼散射等）光源。光参量振荡、受激拉曼散射等）光源。相干光源相干光源相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源特点特点非线性光非线性光激光器激光器方向：发散很小方向：发散很小频谱：单一频谱：单一连续性：无限连续连续性：无限连续亮度：极高亮度：极高在时间、空间上相位同步在时间、空间上相位同步传输增益，出射光强增强传输

7、增益，出射光强增强(b)(b)激光器发射的相干光激光器发射的相干光相干光源相干光源相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源激光激光其一是指器件本身，称作激光器；其二是指这种器件所产生的光。其一是指器件本身，称作激光器；其二是指这种器件所产生的光。激光是一种能够产生或放大电磁波谱中包括红外、可见和紫外相干激光是一种能够产生或放大电磁波谱中包括红外、可见和紫外相干辐射的器件以及所发出的光。辐射的器件以及所发出的光。Laser- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)单色亮度高单色亮度高出射光强远大于入射光强出射光强远大于入射

8、光强相位整齐相位整齐方向性好方向性好强度高强度高特点特点相干光源相干光源相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源19601960年，美国年，美国 梅曼梅曼( (T.H.Maiman) ) 红宝石激光器问世（波长红宝石激光器问世（波长694.3nm）19601960年秋，美国年秋，美国 JavanJavan等等 1.151.15 m m连续振荡连续振荡He-NeHe-Ne气体激光器。气体激光器。19621962年，美国年，美国 NathanNathan、HallHall和和Quist 77K GaAsQuist 77K GaAs半导体激光器。半导体激光器。19661966年，年，Sorokin

9、Sorokin 等等 激光泵浦罗丹明激光泵浦罗丹明6G6G可调谐液体有机染料激光器。可调谐液体有机染料激光器。19661966年，美国年，美国 DimmockDimmock、BulterBulter、MelngailisMelngailis等等 低温工作窄带半导体近低温工作窄带半导体近 红外可调谐激光器。红外可调谐激光器。19701970年，美国年，美国 LinLin等等 双异质结连续振荡半导体激光器。双异质结连续振荡半导体激光器。19801980年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反 馈馈(DFB)(DFB)激

10、光器、分布布拉格发射激光器、分布布拉格发射(DBR)(DBR)激光器、超快激光器激光器、超快激光器 相干光源相干光源相干光源与非相干光源相干光源与非相干光源波长：紫外、可见、红外波长：紫外、可见、红外峰值功率：峰值功率：100TW量级量级最高平均功率：最高平均功率：MW量级量级调谐范围：从调谐范围：从200nm延伸到延伸到4 m。信息光电子技术对光源的要求信息光电子技术对光源的要求单色性单色性高速脉冲性高速脉冲性方向性方向性可调谐性可调谐性高能量密度高能量密度激光正是满足这些条件的最好的光源激光正是满足这些条件的最好的光源!目前激光领域的研究现状目前激光领域的研究现状返回返回激光产生的物质基础

11、激光产生的物质基础激光原理概论激光原理概论光与物质之间的共振相互作用是激光器发光的物质基础。光与物质之间的共振相互作用是激光器发光的物质基础。黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公式自发辐射、受激辐射与受激吸收自发辐射、受激辐射与受激吸收爱因斯坦系数之间的关系爱因斯坦系数之间的关系黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公式激光产生的物质基础激光产生的物质基础热辐射热辐射由于物体中的分子或原子受到热激发而发射电磁辐射的现象。由于物体中的分子或原子受到热激发而发射电磁辐射的现象。黑体黑体能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。黑体辐射模型黑体辐射模型在实验室中，把

12、一个内部挖有封闭空腔的物体，在壁上开一个小在实验室中，把一个内部挖有封闭空腔的物体，在壁上开一个小孔，当该物体加热到一定温度后，空腔内部表面的热辐射在腔内来孔，当该物体加热到一定温度后，空腔内部表面的热辐射在腔内来回发射形成一个稳定的辐射场。空腔辐射体可近似看成是一种理想回发射形成一个稳定的辐射场。空腔辐射体可近似看成是一种理想的黑体。的黑体。单色能量密度，指在单位体积单色能量密度，指在单位体积V V内处于频率内处于频率 处单位频率间隔内的处单位频率间隔内的电磁辐射能量电磁辐射能量E E。实验证明。实验证明 的大小的大小 与和温度与和温度T T有关。有关。黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公

13、式vuvuhvE 激光产生的物质基础激光产生的物质基础黑体辐射大小黑体辐射大小普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说其中其中 为普朗克常数，为普朗克常数， 为振动频率。为振动频率。hvv普朗克认为，原子中运动的电子可以视为一维的谐振子，它所吸收普朗克认为，原子中运动的电子可以视为一维的谐振子，它所吸收或发射的电磁辐射能量不能连续化，只能以与振子的振动频率成正或发射的电磁辐射能量不能连续化，只能以与振子的振动频率成正比的能量作为基元，取它的整数倍。能量大小为：比的能量作为基元，取它的整数倍。能量大小为：dVdvdEuv（1）（2）v黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公式1kThvehvE32

14、8cvVdvMmv激光产生的物质基础激光产生的物质基础黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量根据波尔兹曼的统计规律，可得到根据波尔兹曼的统计规律，可得到式中式中k为波尔兹曼常数，值为为波尔兹曼常数，值为1.381023J/。（3）腔内单位体积处于频率腔内单位体积处于频率 处的单位频率间隔处的光波模式数为处的单位频率间隔处的光波模式数为单色模式密度单色模式密度（4）v黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公式激光产生的物质基础激光产生的物质基础黑体辐射的单色能量密度黑体辐射的单色能量密度11833kThvvvechvmEu（5）（5）式即为黑体辐射的普朗克公式

15、。）式即为黑体辐射的普朗克公式。激光产生的物质基础激光产生的物质基础自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收跃迁跃迁当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，转移到另一个能级的过程当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，转移到另一个能级的过程吸收跃迁吸收跃迁凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁称为吸收跃迁。凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁称为吸收跃迁。辐射跃迁辐射跃迁释放能量后从高能级到低能级的跃迁。释放能量后从高能级到低能级的跃迁。如果吸收和释放的能量都是光能，则跃迁时吸收或释放的如果吸收和释放的能量都是光能，则跃迁时吸收或释放的能量可表示为：能量可表示为：hvEE12自发

16、辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收激光产生的物质基础激光产生的物质基础1916年，爱因斯坦年，爱因斯坦关于辐射的量子理论关于辐射的量子理论中，中，提出光量子与物质相互作用，产生自发辐射提出光量子与物质相互作用，产生自发辐射(spontaneous emission) 、受激吸收受激吸收(stimulated absorption)与受激辐射与受激辐射(stimulated emission)三种三种跃迁。原子或分子的能量状态只能取分立数值，能量最低的状态称基跃迁。原子或分子的能量状态只能取分立数值，能量最低的状态称基态，能量比基态高的状态称激发态。态，能量比基态高的状态称激发

17、态。我们来研究一个二能级系统，我们来研究一个二能级系统，E1能级表示基态，能级表示基态，E2能级表示激发态，能级表示激发态，设设E1、E2之间满足辐射跃迁的选择定则，则在之间满足辐射跃迁的选择定则，则在E1、E2之间发生三种跃之间发生三种跃迁过程。迁过程。式中，式中，h普朗克常数，普朗克常数， 跃迁产生的光波频率。跃迁产生的光波频率。自发辐射自发辐射1221EEh自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收在没有光信号作用下自发地跃迁到低能态时所产生的光辐射在没有光信号作用下自发地跃迁到低能态时所产生的光辐射位于位于E2能级的原子不稳定，即使无外界光信号作用，也将在某一时刻自能级的

18、原子不稳定，即使无外界光信号作用，也将在某一时刻自发跃迁到发跃迁到E1，同时辐射出一个光子：，同时辐射出一个光子：21单个原子自发辐射是随机的，具有时间不确定性；单个原子自发辐射是随机的，具有时间不确定性；拥有大量原子的体系单位时间内拥有大量原子的体系单位时间内E2E1的原子数目统计结果是可以确定的。的原子数目统计结果是可以确定的。自发跃迁几率（自发跃迁几率（A21）单位时间内自发跃迁的原子数密度与单位时间内自发跃迁的原子数密度与E2上总原子数密度之比上总原子数密度之比221211ndtdnAsp代表每个原子在单位时间内代表每个原子在单位时间内E2E1能级的自发辐射几率，又称自发辐能级的自发辐

19、射几率，又称自发辐射爱因斯坦系数。射爱因斯坦系数。自发辐射自发辐射自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收A21完全由原子系统的两特定能级特性决定，与外界信号无关，一定原完全由原子系统的两特定能级特性决定，与外界信号无关，一定原子的特定能级子的特定能级A21是定值；各原子自发跃迁中彼此无关，不同原子产生是定值；各原子自发跃迁中彼此无关，不同原子产生的自发辐射光的方向、位相、偏振状态无确定关系。的自发辐射光的方向、位相、偏振状态无确定关系。自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射自发辐射单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内，E2上减少的粒子数为：上减

20、少的粒子数为：)(221212tnAdtdndtdnspttAnntnexp)0(exp)0()(22221于是于是式中，式中， 为时为时E2能级上的初始原子数。能级上的初始原子数。)0(2n211A自发辐射自发辐射自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收由由E2E1自发跃迁决定的粒子在能级自发跃迁决定的粒子在能级E2上的自发辐射寿命，定义为粒子上的自发辐射寿命，定义为粒子数密度由数密度由t=0时的时的n(0)衰减到它的衰减到它的1/e时所用时间为时所用时间为E2 能级的平均寿命能级的平均寿命 。越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留时间越长，无穷大时，称上逗留时间越长，无

21、穷大时，称E2为稳态，为稳态， 为为较长的能态称为亚稳态。较长的能态称为亚稳态。由上式可得：由上式可得：受激吸收受激吸收112121ndtdnWst自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收低能级原子从外界光信号中吸收一份能量后跃迁到激发态的过程低能级原子从外界光信号中吸收一份能量后跃迁到激发态的过程受激吸收几率受激吸收几率W12由于受激吸收，单位时间从由于受激吸收，单位时间从E1能级跃迁到能级跃迁到 E2 能级的原子数密度与能级的原子数密度与E1能能级原子数密度级原子数密度n1的比值的比值vuW12由辐射引起，不仅与粒子本身性质有关，还与辐射场能量密度由辐射引起，不仅与粒子本身

22、性质有关，还与辐射场能量密度 有有关，即关，即vuBW1212B12称为爱因斯坦吸收系数，仅与粒子本身性质有关。称为爱因斯坦吸收系数，仅与粒子本身性质有关。受激辐射受激辐射自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收E2上原子在频率上原子在频率 21=（E2-E1）/h 的外界光作用下跃迁到的外界光作用下跃迁到E1，同时辐，同时辐射出能量为射出能量为E2 -E1 ，且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再，且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动

23、状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射 。受激辐射受激辐射221211ndtdnWst自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收受激发射几率受激发射几率W21在频率在频率 21=（ E2 -E1 ）/h 的外界光信号作用下，单位时间内从的外界光信号作用下，单位时间内从E2 跃迁跃迁到到E1的原子数密度与的原子数密度与n2 之比：之比：不仅与原子特定能级跃迁机构性质有关，还与入射光信号的强度有关。不仅与原子特定能级跃迁机构性质有关，还与入射光信号的强度有关。vuBW2121uv频率为频率为 21 的入射光波的能量密度的入射

24、光波的能量密度;B21爱因斯坦受激发射系数，仅与原爱因斯坦受激发射系数，仅与原子特定的能级跃迁性质有关。受激发射光子与外界信号光子传播方向、子特定的能级跃迁性质有关。受激发射光子与外界信号光子传播方向、振荡频率、偏振方向及相位都相同振荡频率、偏振方向及相位都相同爱因斯坦关系爱因斯坦关系激光产生的物质基础激光产生的物质基础大量粒子构成的粒子体系大量粒子构成的粒子体系(如原子或分子等如原子或分子等)中，三种跃迁同时存在。中，三种跃迁同时存在。E2自发辐射的能量自发辐射的能量E2-E1 的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使使E1上粒子发生受激吸收，使上粒

25、子发生受激吸收，使E2上粒子发生受激辐射，三种过程相互上粒子发生受激辐射，三种过程相互联系，相互联系可由表示原子特定能级联系，相互联系可由表示原子特定能级E1和和E2特性的参数特性的参数A21、B21和和B12来表示。来表示。设一原子系统两特定能级设一原子系统两特定能级E1和和E2简并度分别为简并度分别为g1和和g2，在温度，在温度T处于热处于热平衡状态，平衡状态， E1和和E2能级原子数密度分别为能级原子数密度分别为n1和和n2 ，则原子系统从吸收能量则原子系统从吸收能量E2-E1后，单位时间内从后，单位时间内从E1 跃迁到跃迁到E2 能级能级的原子数为：的原子数为：处于处于E2上的原子，单

26、位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上上的原子数为：的原子数为：由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：爱因斯坦关系爱因斯坦关系11212nuBnv2212121nBuAnv激光产生的物质基础激光产生的物质基础2112nn爱因斯坦关系爱因斯坦关系激光产生的物质基础激光产生的物质基础即：即： 22121112nBuAnBuvv因而有：因而有： 21211212BuABunnvvkThkTEEgngn21121122expexp又由于在热平衡状态下，又由于在热平衡状态下， 、 按照玻尔兹曼分布：按照

27、玻尔兹曼分布： 1n2n式中，式中，k为玻尔兹曼常数。为玻尔兹曼常数。爱因斯坦关系爱因斯坦关系1exp1212211122121kThgBgBBAuv激光产生的物质基础激光产生的物质基础在热平衡条件下，光辐射的能量密度在热平衡条件下，光辐射的能量密度 uv 又可由普朗克公式给出：又可由普朗克公式给出：于是有：于是有：1exp18213321kThchuv式中式中c为真空中光速，于是比较两式，为真空中光速，于是比较两式，爱因斯坦关系爱因斯坦关系激光产生的物质基础激光产生的物质基础221112gBgB332121218chBA此两式即为著名的爱因斯坦关系式。此两式即为著名的爱因斯坦关系式。BBB2

28、112332121218chBA可知：可知：若若 、 两能级简并度相等，即两能级简并度相等，即 ，则爱因斯坦关系式可简化为：，则爱因斯坦关系式可简化为： 1E2E21gg 1E对一定原子体系而言，自发辐射系数对一定原子体系而言，自发辐射系数A21与受激辐射系数与受激辐射系数B21之比正比于之比正比于频率频率 的三次方，因而的三次方，因而 与与 能级差越大，能级差越大， 就越高，就越高，A21与与B21的的比值就越大，也就是说比值就越大，也就是说 越高越易自发辐射，受激辐射越难。一般地，越高越易自发辐射，受激辐射越难。一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。在热平衡条件下，

29、受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。211E2E21211E爱因斯坦关系爱因斯坦关系激光产生的物质基础激光产生的物质基础至此可以看出：至此可以看出： 、 、 三个爱因斯坦系数是相互关联的，它们之间存在着内在的三个爱因斯坦系数是相互关联的，它们之间存在着内在的联系，决不是相互孤立无关的。联系，决不是相互孤立无关的。21A12B21B激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理激光产生的基本原理激光产生的必要条件激光产生的必要条件（1）粒子数反转分布）粒子数反转分布（2）减少模式振荡数）减少模式振荡数激光产生的充分条件激光产生的充分条件（1）起振条件）起振条件-阈值条件阈值

30、条件（2）稳定振荡条件）稳定振荡条件增益饱和效应增益饱和效应t 时刻，频率时刻，频率 、能量密度、能量密度 的光束射入二能级系统。的光束射入二能级系统。引起受激吸收引起受激吸收+受激发射。受激发射。 内，内，因受激吸收而减少的光能量密度：因受激吸收而减少的光能量密度：hEE1221)(21dtttdthBNd2121121211)()(因受激发射而增加的光能：因受激发射而增加的光能：dthBNd2121212212)()(能量密度总变化量：能量密度总变化量：dthBNBNd212112121221)()(粒子数反转分布粒子数反转分布激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法将爱因斯坦关系

31、式代入得：将爱因斯坦关系式代入得：dthBggNgNd2121212112221)()()(0，光放大0，光衰减正负由（N2/g2-N1/g1）定粒子数反转分布粒子数反转分布0)(2121212dthBg221112gBgB332121218chBA爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式:激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法(1) 粒子数正常分布粒子数正常分布2211gNgN ，光束能量密度不断地减少。，光束能量密度不断地减少。一般情况下介质中的粒子数总呈正常分布。如物体处于热平衡时，有：一般情况下介质中的粒子数总呈正常分布。如物体处于热平衡时，有：0)(21d)exp(121212kTEE

32、ggNN非平衡态粒子分布也是正常分布状态。非平衡态粒子分布也是正常分布状态。粒子数反转分布粒子数反转分布激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法 能级由能级由 个重叠在一起的能级组成，个重叠在一起的能级组成， 能级由能级由 个重叠在一起的能级组成，个重叠在一起的能级组成， 与与 分别表示分别表示 和和 中的中的“一个一个”能级上的粒子数；能级上的粒子数；正常分布正常分布E1的一个能级上的粒子数大于的一个能级上的粒子数大于E2的一个能级上的粒子数。的一个能级上的粒子数。1E1g2E2g11gN22gN1E2E粒子数反转分布粒子数反转分布激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法(2

33、)粒子数反转分布粒子数反转分布1122gNgN ，光能密度不断增加。处于反转分布状态的物质，光能密度不断增加。处于反转分布状态的物质-激活介质。激活介质。0)(21d粒子在能级上的分布上多下少。为此泵浦源将粒子从低能态抽运到高能态。粒子在能级上的分布上多下少。为此泵浦源将粒子从低能态抽运到高能态。通过泵浦源的泵浦工作，可使某些具有特殊能级结构的介质发生粒子数反转分布，通过泵浦源的泵浦工作，可使某些具有特殊能级结构的介质发生粒子数反转分布，形成激活介质。形成激活介质。泵浦源是形成激光器的物质基础之一。泵浦源是形成激光器的物质基础之一。光射入激活介质时，光射入激活介质时， ，入射光能密度通过激活介

34、质后被，入射光能密度通过激活介质后被“放大放大”了，了，故激活介质如同一个故激活介质如同一个“光放大器光放大器”，光的受激发射在激活介质中占了主导地位。，光的受激发射在激活介质中占了主导地位。在工作物质中建立粒子数反转分布状态是形成激光的必要条件。在工作物质中建立粒子数反转分布状态是形成激光的必要条件。0)(21d粒子数反转分布粒子数反转分布激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光：高能、方向性很好、单色性很好激光：高能、方向性很好、单色性很好受激发射：受激发射： 方向发散，传输距离有限方向发散，传输距离有限强度难以很大强度难以很大 模式多样，携带各自能量模式多样，携带各自能量单色

35、亮度难以很强。单色亮度难以很强。解决办法：解决办法： 开放式光学谐振腔，激活介质开放式光学谐振腔，激活介质+一对相向平行反射镜（一对相向平行反射镜（ ， ）11R12R减少模式振荡数减少模式振荡数激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法谐振腔轴向光束谐振腔轴向光束来回反射，某一方向得到放大来回反射，某一方向得到放大形成激光振荡，输出强度高形成激光振荡，输出强度高满足干涉相长条件的光得到加强，频率得到筛选满足干涉相长条件的光得到加强，频率得到筛选模式数目减少模式数目减少偏轴角较大光束偏轴角较大光束由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。(a)激活介质中

36、的光放大激活介质中的光放大 (b) 谐振腔中光的振荡谐振腔中光的振荡 减少模式振荡数减少模式振荡数激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法增益：受激放大增益：受激放大损失：镜面透射损失（损失：镜面透射损失（ ），镜面和腔内激活介质存在着吸收、散射等损失，），镜面和腔内激活介质存在着吸收、散射等损失，增益大于损失，光波放大，起振：振荡阈值条件。增益大于损失，光波放大，起振：振荡阈值条件。12R强度强度 的光射入长的光射入长L的谐振腔内充满增益系数的谐振腔内充满增益系数 的激活介质，单程的激活介质，单程L后后)(G0I)()(exp001GILGIIL ：单程增益，即光束经过激活介质一次所

37、得的放大倍数。：单程增益，即光束经过激活介质一次所得的放大倍数。LGGL)(exp)(谐振腔两镜面反射率谐振腔两镜面反射率 ， ,透射率透射率 ， ，镜面其它损耗，镜面其它损耗 ， ， 则：则：1R2R1T2T121111TR1222TR起振条件起振条件阈值条件阈值条件激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法光束在腔内往返一次的强度变化光束在腔内往返一次的强度变化 往返一次光束强度变化：往返一次光束强度变化： LGII01212RII LGII23134RII 于是：于是： 22104LGRRII ，在激活介质振荡一次强度减小；多次振荡不断衰减，无法形成激光振荡；，在激活介质振荡一次强

38、度减小；多次振荡不断衰减，无法形成激光振荡； ，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。 产生激光振荡条件：产生激光振荡条件：04II 04II 04II 起振条件起振条件阈值条件阈值条件激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光振荡最起码条件激光振荡最起码条件1221LGRR增益阈值：增益阈值： 21ln21)(RRLGth又又: )(8)()(122211212gggANggNG激光振荡反转粒子数阈值：激光振荡反转粒子数阈值：)(ln4)(21212211212LgRRggANggNth起振条件起振条件阈值条件阈值条件激光产生的基本原理和方法激光产生

39、的基本原理和方法(1)均匀加宽时，由于均匀加宽时，由于 ，因而阈值条件为：，因而阈值条件为：g2)(21LRRggANggNth212122121212ln2)(2)非均匀加宽时有非均匀加宽时有 ，于是阈值条件为：，于是阈值条件为：2ln2)(21DgLRRggANggNDth212122121212ln2ln2)( 通过泵浦，使通过泵浦，使 ，且满足上式的反转阈值要求时，且满足上式的反转阈值要求时， 光强才逐渐加强，谐振腔内才开始形成激光振荡。光强才逐渐加强，谐振腔内才开始形成激光振荡。 1122gNgN增益加宽机制不同，阈值条件不同。如果阈值条件是相对于中心频率而言，则：增益加宽机制不同，

40、阈值条件不同。如果阈值条件是相对于中心频率而言，则：起振条件起振条件阈值条件阈值条件激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光往返经过激活介质，强度随传播距离激光往返经过激活介质，强度随传播距离x的增加呈指数上升。的增加呈指数上升。无限制地增大？无限制地增大？ 当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常数；当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常数； 当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小增益饱和效应。增益饱和效应。 激光器的稳定振荡条件。激光器的稳定振荡条件。稳定振荡条件稳定振荡条件增益饱和

41、效应增益饱和效应),(IG激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法设想某种工作物质在泵浦作用下设想某种工作物质在泵浦作用下(无外加光场无外加光场)实现了粒子数反转，即：实现了粒子数反转，即：01012020gNgNN外加光强致外加光强致 的受激发射和的受激发射和 的受激吸收，跃迁几率相等的受激吸收，跃迁几率相等 由于由于 ，因而，因而 的粒子数大于的粒子数大于 的粒子数，的粒子数，新平衡下的反转粒子数新平衡下的反转粒子数 ， 变小；变小；随着往返振荡外加光场随着往返振荡外加光场 不断增强，不断增强， 不断减小不断减小增益减小到恰好等于损耗时，就建立了稳态的振荡，形成了稳定的激光输出。增

42、益减小到恰好等于损耗时，就建立了稳态的振荡，形成了稳定的激光输出。12EE 21EE )(1221WW2211gNgN12EE 21EE 0NN)(G)(I)(G激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法稳定振荡条件稳定振荡条件增益饱和效应增益饱和效应激光工作物质激光工作物质 提供形成激光的能级结构体系，激光产生的内因提供形成激光的能级结构体系，激光产生的内因；泵浦源泵浦源 提供形成激光的能量激励，激光形成的外因，提供形成激光的能量激励，激光形成的外因，光学谐振腔光学谐振腔 为激光器提供反馈放大机构，提高受激发射强度、方向、单色性。为激光器提供反馈放大机构，提高受激发射强度、方向、单色性

43、。激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光器的构造激光器的构造1.激光工作物质激光工作物质当工作物质中形成粒子数反转分布时，工作物质处于激活状态，光在此介当工作物质中形成粒子数反转分布时，工作物质处于激活状态，光在此介质中传播时，就会获得放大作用。也就是说，原子系统一旦实现了粒子数质中传播时，就会获得放大作用。也就是说，原子系统一旦实现了粒子数反转过程，就变成了增益介质，对外来的光而言就变成了放大器。反转过程，就变成了增益介质，对外来的光而言就变成了放大器。二能级系统：二能级系统： 光入射，引起受激吸收，使光入射，引起受激吸收，使N1减小、减小、N2增加；受激辐射，增加；受激辐射，

44、N2减小、减小、N1增增加，两过程同时进行，最终加，两过程同时进行，最终N1= N2，吸收和受激发射相等，二能级系统不再，吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光吸收光 ,即便采用强光照射，共振吸收和受激发射几率相同，无法实现粒子数即便采用强光照射，共振吸收和受激发射几率相同，无法实现粒子数反转。即，二能级系统即使有入射光等激励也不能实现粒子数反转分布，不反转。即，二能级系统即使有入射光等激励也不能实现粒子数反转分布，不能做激光工作物质。能做激光工作物质。激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光器的构造激光器的构造要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）不够，要产生

45、激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）不够，至少需要一个可以使得粒子具有较长停留时间或较小自发辐射几率的能级，至少需要一个可以使得粒子具有较长停留时间或较小自发辐射几率的能级，即亚稳态能级，亚稳相对于稳定的低能态或基态而言。即亚稳态能级，亚稳相对于稳定的低能态或基态而言。激光工作物质应至少具备三个能级。激光工作物质应至少具备三个能级。实际上激光工作物质不外乎三能级或四能级结构实际上激光工作物质不外乎三能级或四能级结构 反转分布机制反转分布机制 abc激光器的构造激光器的构造激光工作物质激光工作物质2.泵浦源泵浦源泵浦泵浦介质一般处于粒子数正常分布状态，反转分布状态必须用外界能量来激

46、励工介质一般处于粒子数正常分布状态，反转分布状态必须用外界能量来激励工作物质。在外界作用下，粒子从低能级进入高能级从而实现粒子数反转分布作物质。在外界作用下，粒子从低能级进入高能级从而实现粒子数反转分布的过程。泵浦过程就是原子的过程。泵浦过程就是原子(或分子、离子或分子、离子)的激励过程。的激励过程。泵浦源或激励源泵浦源或激励源把将粒子从低能态抽运到高能态的装置。泵浦源是组成激光器的三个基本部分把将粒子从低能态抽运到高能态的装置。泵浦源是组成激光器的三个基本部分之一，是形成激光的外因。之一，是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。激光器是一个能量转换器件

47、，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。合适的激励方式和能量大小对激光效率产生重要影响。合适的激励方式和能量大小对激光效率产生重要影响。激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光器的构造激光器的构造从直接完成粒子数反转的方式来分，主要有以下泵浦方式：从直接完成粒子数反转的方式来分，主要有以下泵浦方式：(1)光激励方式光激励方式大多数固体激光器用一束自发辐射的强光或激光束直接照射工作物质，利用激光大多数固体激光器用一束自发辐射的强光或激光束直接照射工作物质，利用激光工作物质泵浦能级的强吸收性质将这种光能转化成激光能。效率不高。工作物质泵浦能级的强吸收性质将这种光能转化成激光能。效率不高。

48、 (2)气体辉光放电或高频放电方式气体辉光放电或高频放电方式 大多数气体激光器由于工作物质密度小，粒子间距大，相互作用弱，能级极窄，大多数气体激光器由于工作物质密度小，粒子间距大，相互作用弱，能级极窄，且吸收光谱多在紫外波段，用光激励技术难度大，效率低，故多采用气体放电中且吸收光谱多在紫外波段，用光激励技术难度大，效率低，故多采用气体放电中的快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子数反转。的快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子数反转。 (3)直接电子注入方式直接电子注入方式 半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转，且效率高。半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转，且效率高。激光器的构造

49、激光器的构造泵浦源泵浦源(4)化学反应方式化学反应方式 通过化学反应释放的能量完成相应粒子数反转的泵浦方式。化学激光器就是这通过化学反应释放的能量完成相应粒子数反转的泵浦方式。化学激光器就是这类泵浦方式，一般具有功率大的特点。类泵浦方式，一般具有功率大的特点。 热激励、冲击波、电子束、核能等都可能用来实现粒子数反转。热激励、冲击波、电子束、核能等都可能用来实现粒子数反转。泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定。泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定。激光器的构造激光器的构造泵浦源泵浦源3.谐振腔谐振腔光学谐振腔是构成激光器的重要器件，它不仅为获得激光输出提供了必要的条光学谐振腔是构成激光器的重要器

50、件，它不仅为获得激光输出提供了必要的条件件限制了可能的模式数目，同时还对激光的频率限制了可能的模式数目，同时还对激光的频率(高单色性高单色性)、功率、功率(高亮度高亮度)、光束发散角光束发散角(方向性好方向性好)及相干性等有着很大影响。前述所引的两平面镜构成的及相干性等有着很大影响。前述所引的两平面镜构成的法布里珀罗腔是一种最简单的谐振控。实际情况中，根据不同的应用场合及法布里珀罗腔是一种最简单的谐振控。实际情况中，根据不同的应用场合及激光器类型，可以采用不同曲率、不同结构的谐振腔。但不管是哪种光学谐振激光器类型，可以采用不同曲率、不同结构的谐振腔。但不管是哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性

51、，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。轴模不断耗散，以保证激光定向输出。激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激光器的构造激光器的构造设激光器腔长设激光器腔长L，反射镜曲率半径分别为，反射镜曲率半径分别为 ， （凸面镜（凸面镜 ，凹面镜，凹面镜 ）。）。总的来讲，谐振腔可分为稳定腔总的来讲，谐振腔可分为稳定腔(低损耗腔低损耗腔)和非稳定腔和非稳定腔(高损耗腔高损耗腔)两大类。两大类。1r2r0r0r(1)稳定腔稳定腔 稳定腔就是满足下列条件的腔：稳定腔就是满足下列条件的腔： 1

52、021 ss其中：其中： 111rLs221rLs激光器的构造激光器的构造谐振腔谐振腔(a)珐布里珀罗腔珐布里珀罗腔 (b)共焦球面腔共焦球面腔 典型的稳定腔有法珀腔、共焦腔等典型的稳定腔有法珀腔、共焦腔等(如图如图(a)，(b)）。傍轴光线在这类谐振腔内）。傍轴光线在这类谐振腔内往返多次而不至于横向逸出腔外。往返多次而不至于横向逸出腔外。 激光器的构造激光器的构造谐振腔谐振腔(2)非稳定腔非稳定腔满足下列不等式之一的球面谐振腔为非稳定腔：满足下列不等式之一的球面谐振腔为非稳定腔：021ss121ss或或傍轴光线在这类谐振腔内往返有限次后必然从侧面逸出腔外，因而这类腔具傍轴光线在这类谐振腔内往

53、返有限次后必然从侧面逸出腔外，因而这类腔具有较高的几何损耗。典型的非稳定腔有双凸腔、平凸腔、平凹腔、双凹腔、有较高的几何损耗。典型的非稳定腔有双凸腔、平凸腔、平凹腔、双凹腔、非对称实共焦非稳腔、虚共焦腔等（如图非对称实共焦非稳腔、虚共焦腔等（如图 (c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)），），其中其中(e)、(f)、(g)三种腔因腔内存在焦点，强激光的聚焦作用容易破坏工作三种腔因腔内存在焦点，强激光的聚焦作用容易破坏工作物质，因而实际中很少采用。物质，因而实际中很少采用。 激光器的构造激光器的构造谐振腔谐振腔(c)双凸腔双凸腔 （d）平凸腔）平凸腔 (e)平凹腔平凹腔 （f）双凹非稳腔

54、）双凹非稳腔 (g)非对称实共焦非稳腔非对称实共焦非稳腔 （h）虚共焦腔）虚共焦腔激光器的构造激光器的构造谐振腔谐振腔有时将有时将 或或 的共轴球面腔划分为临界腔。的共轴球面腔划分为临界腔。021ss121ss另外，另外， 的谐振腔称为对称共焦腔，其的谐振腔称为对称共焦腔，其 ， ， ； 的腔称为平行平面腔，其的腔称为平行平面腔，其 ； 的腔称为共心腔。的腔称为共心腔。 Lrr2101s02s021ss21rr121 ssLrr21设谐振腔储能为设谐振腔储能为W，反射镜反射率，反射镜反射率R，镜间距，镜间距L，则每经过一次反射就有，则每经过一次反射就有(1-R)W的的光能由谐振腔损失掉，于是每

55、秒损失能量光能由谐振腔损失掉，于是每秒损失能量为：为： LWRccLWRdtdW)1 ()1 (（其中（其中c为光速）为光速） 上式对上式对t求积分，求积分，t=t0时时W=W0，得：，得：tLRceWW)1(0光子在谐振腔中的寿命记作光子在谐振腔中的寿命记作tc，当能量减少到，当能量减少到W0/e时所经历的时间，即：时所经历的时间，即：)1 (RcLtc激光器的构造激光器的构造谐振腔谐振腔于是：于是： )1 ()1 (RcLLWRcWQ其中其中 表示谐振腔内的各种损耗，主要考虑两部分，反射损耗表示谐振腔内的各种损耗，主要考虑两部分，反射损耗和衍射损耗和衍射损耗 。R1激光器的构造激光器的构造

56、谐振腔谐振腔设设Q为光学谐振腔定义的品质因数，为光学谐振腔定义的品质因数， c22WQ ，其中，其中 为角频率为角频率。又因为：又因为： 于是：于是： LRLRcLcQ2)1 (2)1 (2rd激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激活物质的能级系统激活物质的能级系统1.三能级系统：激光下能级为基态三能级系统（三能级系统：激光下能级为基态三能级系统（a） 和激光下能级不是基态的三能级系统（和激光下能级不是基态的三能级系统（b）(a)激光下能级为基态的三能级系统激光下能级为基态的三能级系统 (b)激光下能级不是基态的三能级系统激光下能级不是基态的三能级系统 2.四能级系统：激光下能级与

57、基态能级之间无中间能级（四能级系统：激光下能级与基态能级之间无中间能级（a） 和激光下能级与基态能级之间有一个中间能级（和激光下能级与基态能级之间有一个中间能级（b）(a)激光下能级与基态能级之间无中间能级激光下能级与基态能级之间无中间能级 (b)激光下能级与基态能级之间有一个中间能级激光下能级与基态能级之间有一个中间能级返回返回激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法激活物质的能级系统激活物质的能级系统开放式光学谐振腔和高斯光束开放式光学谐振腔和高斯光束谐振腔主要作用谐振腔主要作用开放式光学谐振腔开放式光学谐振腔 提供光学正反馈提供光学正反馈 产生对光束的控制作用产生对光束的控制作用

58、 （1）有效地控制腔内实际振荡的）有效地控制腔内实际振荡的模式数目模式数目，使大量光子集结，使大量光子集结 在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好、在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好、 方向性强的相干光；方向性强的相干光； （2）可以直接控制激光束的横向分布特性，如光斑大小、谐）可以直接控制激光束的横向分布特性，如光斑大小、谐 振频率、光束发射角等；振频率、光束发射角等； （3）可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的条件下，能控）可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的条件下，能控 制激光束的输出功率。制激光束的输出功率。输出模式输出模式激光器的输出由许多独立频率分量激光器的

59、输出由许多独立频率分量模式组成模式组成模式：能在腔内存在的、稳定的光波基本形式。模式：能在腔内存在的、稳定的光波基本形式。所谓稳定包含下列意思：所谓稳定包含下列意思： 有确定的频率；有确定的频率； 振幅在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变；振幅在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变； 相位在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变。相位在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变。开放式光学谐振腔开放式光学谐振腔输出模式输出模式表示方法：表示方法：m,n,q可分别取可分别取 等整数，一组等整数，一组m,n,q对应一种模式；对应一种模式；m,n：垂直腔轴平面内的振幅分布情况，称横模阶数，：垂直腔

60、轴平面内的振幅分布情况，称横模阶数， 直角坐标系中，直角坐标系中，m和和n的数值分别是该模式在的数值分别是该模式在x轴和轴和y轴上的节点数，轴上的节点数， 柱坐标系中，柱坐标系中，m和和n分别为径向和旋转角分别为径向和旋转角 向的节点数；向的节点数；q：光腔轴向形成的驻波节点数目，称纵模阶数。：光腔轴向形成的驻波节点数目，称纵模阶数。三者共同决定该模式的振荡频率。三者共同决定该模式的振荡频率。如在矩形腔中，设其长、宽、高如在矩形腔中，设其长、宽、高)别为别为 ，则相应振荡频率：，则相应振荡频率：mnqTEM, 2 , 1 , 0222)()()(2cqbnamc开放式光学谐振腔开放式光学谐振腔