教学课件：激光原理

1、考试要求：1、平时成绩：10分2、实验成绩：20分3、期末考试：70分光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技术的一门学科电子学研究电子作为信息和能量载体的科学光子学研究光子作为信息和能量载体的科学光子技术 相干光的产生 激光原理 （48学时） 相干光的控制 (调制、偏转) 光频率（波长）变换 相干光的检测及应用光电子技术电子技术-光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波Nature Science Physics Review Letters (PRL) 6.017Applied Physics Letters (APL) 4.207Optics Letters (OL) 3.395O

2、ptics Express (OE) 3.219Journal of Applied physics (JAP) 2.281IEEE Photonic technology Letters (PTL) 2.1IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE) 2.097Journal of Lightwave Technology (JLT) 1.983一些相关的重要学术刊物 (SCI收录期刊）激光的产生LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 科学技术发展规律 基础理论研究

3、应用技术 产品开发 产业 基础理论研究是构筑科学大厦的基石 为激光发明做出贡献的科学家1964年钱学森院士提议取名为“激光”1917：爱因斯坦（A. Einstein） 提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光发明奠定了理论基础。1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展。1954：美国汤斯（C. H. Townes） 前苏联巴索夫（N. G. Basov） 普洛霍洛夫 （A. M. Prokhorov）第一次实现氨分子微波量子振荡器（Maser）1958：美国汤斯与肖洛（A. L. Schawlow）提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想

4、。 布隆伯根（N. Bloembergen）提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思。1960：美国休斯公司实验室梅曼（T. H. Maiman）世界上第一台红宝石固态激光器诞生。1964：汤斯、巴索夫、普洛霍洛夫“由于在量子电子学领域中的基础工作导致基于maser-laser原理的谐振器和放大器的发明” 获得了该年的Nobel物理学奖。1981：肖洛也因其对激光光谱的贡献荣获该年度的 Nobel 物理奖。Townes说：“这项奖对Schlwlow来得太迟。”追寻成功者的足迹，给人必要的启迪任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大 胆探索的结果。 勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿

5、。大胆设想, 勇于创新，勇于实践,锲而不舍。激光的特性1、方向性好；2、单色性好； 空间相干性方向性3、相干性好； 时间相干性单色性4、高亮度。激光的特性 激光的四性本质上归结为：激光具有很高的光子简并度。 这些特性正是由于受激辐射的本性和激光腔的选模作用才得以实现的方向性好 单色性好相干性好 高亮度激光的空间相干性 激光的时间相干性激光的时间相干性光纤化的迈克耳逊干涉仪激光的应用激光雷达激光武器激光通信激光显示激光切割激光美容激光传感器一、光的基本性质1、光既是粒子又是波，具有波粒二象性（1）光子的能量：（2）光子的质量：（3）光子的动量：（4）光子有两个独立的偏振态；（5）光子有自旋，且自

6、旋量子数为整数，大量光子的集合服从玻色爱因斯坦分布。2、光是粒子性和波动性的统一：利用量子电动力 学的理论，可以将电磁场量子化（1）电磁场的本征模式：具有基元能量 和基元 动量 的物质单元即属于同一本征模式的光子；（2）具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分， 应属于同一模式（或状态）；（3）处于同一模式或同一状态内的光子数目是没有 限制的；（4）任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本 征模式的线性叠加。3、光波模式从波动性来讨论（1）麦克斯韦氏方程的解特解：单色平面波。通解：一系列单色平面波的叠加。（2）自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可 以存在。（3）受边界条件限制空间的电磁波：一

7、系列独立 的具有特定波矢 的平面单色驻波。即只 允许驻波模式存在！（4）光波模式：能存在于腔内的以波矢 为标志的电磁波模式。不同模式以 区分，同一 又由于对应两个独立的偏振态，则同一波矢 对应两个不同偏振方向的光波模式。（5）求体积为V 的空腔中的光波模式数光波模式：在一个有边界条件限制的空间V内，具有特性波矢 的平面驻波。一维驻波的形成：一维行波遇到障碍物后返回与原行波叠加形成的。驻 波 的 形 成10波腹波节对于驻波腔：形成一维驻波必须满足条件：同理，可得二维空间驻波在 ， 方向上必须满足条件：又因为：则 的三个分量应满足：（a）设：在 , ,， 三方向应用驻波条件得：（b）光波模式的波矢

8、空间表示波矢空间：以kx、ky、kz为直角坐标系构成的空间。每一个光波模式对应该空间的一个点。每个光模在波矢空间所占体积为：相邻模间隔：每一组正整数 ， ， 对应于驻波腔内一种光波模式。波矢空间中每个光波模式所占体积：第一象限中 区间体积：此体积内光波模式数： V体积空腔内，频率 内 光波模式数（其中考虑了同一 有两种不同的偏振，所以总模式数乘以2）：（2）光子运动状态的描述受测不准关系的限制，其坐标和动量不能同时准确测定！（a）一维运动时：在 的二维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。4、光子态从粒子性来讨论 在频率很高的光频波段 ,由于L ,空腔中模密度很大，因

9、而Laser的制成面临更大的挑战。（1）经典力学中粒子运动状态的描述用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐标（ , , , , , ）精确描述！（b）二维运动时：在 的四维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。（c）三维运动时：在 的六维相空间体积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。（d）相格：一个光子状态对应的相空间体积元，是用任何实验所能分辨的最小尺度。说明：光子的运动状态只能定义在相格中，但不能确定它在该相格中的精确位置！（5）相空间体积元大小：（6）相格空间体积：一个相格所占的坐标空间体积。5、光波模式与光子状态的关系：等效。一个光波模即是一个

10、光子态，在波矢空间中占据一个体积：一个光子态在六维相空间中占据一个相格： 一个相格或一个光子态内的光子不可区分。相干性： 相干波光场物理量之间的相关性质。 二、光的相干性和光子简并度相干条件（1）频率相同；（2）存在相互平行的偏振分量；（3）具有稳定的相位差。产生干涉的条件：描述时间相干性的等效物理量：相干时间：相干长度：谱线宽度：1、光的时间相干性 空间某点处两个不同时刻的光场有相干性的最大时间间隔，即波列持续时间。（2）大小：光源的谱线宽度(线宽)证：E(t)=00ttc其它0：光源的中心频率tEE00tc（1）相干时间:（a）场时函数:光场随时间变化的函数关系。（b）场频函数E()：光场

11、随频率变换的函数关系。 （场时函数的付里叶变换）（c）强频函数(光谱)：光强随频率变换的函数关系。 (场频函数的模平方)（d）线宽：强频函数峰值一半所对应的两频率之差。（3）本质： 反映光源的单色性。2- 10I()I00.5I02、光的空间相干性（b）大小：（a）定义：某时刻沿光传播方向两个不同地点光场有相干性的最大空间间隔，即光波列长度。（1）纵向空间相干性相干长度c:光在真空中的速度（c）本质：反映光源单色性。 来源于波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。（3）相干性的粗略描述相干体积相干体积Vc：若在空间体积Vc内各点的光波场具有 明显的相

12、干性，则Vc称为相干体积。相干面积:属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。（2）横向空间相干性相干面积定义：某时刻在与光传播方向垂直的平面上使 任意两点光场有相干性的最大空间面积。结论：相格空间体积 = 一个光波模或光子态占有的空间体积 = 光源的相干体积。相同光子态或光波模式的光子是相干的，不同光子态或不同光波模式的光子是不相干的。3、光子简并度（1）对好的相干光源的衡量标准尽可能高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间（或相干长度）。普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是矛盾的！激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起

13、来的强相干光源。（2）相干光强：是描述光的相干性的参量之一，其大小取决于具有相干性的光子数的数目或同态光子的数目。（3）光子简并度：处于同一光子状态的光子 数目。用 表示。（4）相干光强与光子简并度的关系：相干光 强的大小取决于光子简并度的大小，光 子简并度越大，则相干光强越大。（5）光子简并度的等效含义光子简并度 = 同态光子数 = 同一光波模式内的光子数 = 同一相干体积内的光子数 = 同一相格内的光子数。例1：求封闭腔在 5000 处的单色模密度。解：腔内单位体积中频率处于 附近单位频率间隔内的光波模式数：总模式数：例2：求 He-Ne 激光器所发光子的能量、动量、质量（光波长为6328

14、）。解：一、光的受激辐射概念的产生普朗克1900年，辐射量子化假设；波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。1. 黑体辐射的Planck公式：任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射（热辐射）。黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。空腔辐射体热平衡状态：黑体吸收的辐射能量 黑体放出的辐射能量单色能量密度 ：Planck辐射能量量子化假说：黑体辐射Planck公式：热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量：腔内单位体积中频率处于 附近单位频率间隔内的光波模式数为：2. 跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收

15、跃迁：低吸收能量高辐射跃迁：高辐射能量低二、自发辐射、受激吸收和受激辐射1. 自发辐射（Spontaneous Emission）。发光前发光后普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同为非相干光。E1E2hnE1E2hn主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相干，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。自发辐射几率（Spontaneous transition rate）： A21 能级21 跃迁的特征参数E2能级平均寿命 表示由于自发辐射跃迁引起的由 向 跃迁的原子数。推导

16、 A21 and s 的关系式 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减； 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命ts呈倒数关系； ts 可以通过实验测得，由 A21 =1/s可获得自发辐射几率； A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关。2. 受激吸收（stimulated absorption STA）吸收前吸收后受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关唯象的表示为：发光前发光后3. 受激辐射（stimulated emission STE）当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而

17、发光。 受激辐射的光放大示意图受激辐射光具有与外来光子一样的特征：相位、偏振态、传输方向完全相同，所以受激辐射光是相干光。：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：与原子本身性质和辐射场能量密度有关当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程三、爱因斯坦三系数 的相互关系热平衡状态：辐射率 吸收率（辐射场总光子数保持不变）玻尔兹曼统计分布：各能级上的原子数密度（集居数密度）能级 和 的简并度， 或称统计权重（1）（2）与Planck公式比较得：由（1）和（2）可得：Planck 公式为：结论：其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同 几率。热平衡状态下，高能级上原子数少

18、于低能级上原子 数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。3. 自发辐射的出现随 而增大，故波长越短， 自发辐射几率越大。四、受激辐射的相干性自发辐射：相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激 辐射的外来光子具有相同的特征 （频率、相位、振动方向及传播方 向均相同）。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。不相干相干光说明：SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别两种辐射比较 (热平衡情况下) 答案：SPE（自发辐射）占绝对优势单位时间STE增加的光子数密度单位时间STA减少的光子数密度3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下)T=1500K,l=5

19、00nm 空腔4. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的外来光； 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的 自发辐射。 因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。激光器的基本思想封闭腔中光子简并度 极低开腔中的激活介质能对光进行受激辐射放大（而不是受激吸收）。开腔能够提高光子简并度 （通过腔对光波模式的选择）1、受激辐射占优势的条件 粒子数反转分布实现粒子数反转的工作物质称为增益（或激活）介质。粒子数反转分布是产生激光的前提条件。如何实现粒子数反转分布？Bolzman分布反转分布 只有依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，实现粒子数反转。粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大2、激

20、活介质对光的增益与损耗增益系数：描述激光工作物质放大特性的参数。激活介质：指已经处于粒子数反转状态的工作物质。定义：光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。0z增益介质I(z)I00zdz薄层当 不随 变化,是常数时，有：Dn(z)0z增益介质I(z)I00zdz薄层净STE光子数密度证明：（介质的折射率） 损耗系数 a 激活介质中不仅存在增益，还有损耗。损耗系数单位长度光强衰减的百分比。（负增益系数）G & a 并存的介质中，光强的变化解微分方程并有dz薄层G & （1）平均单程损耗率定义：I0：初始光强，I1：往返一周后的光强。分类：选择性损耗：损耗大小与横模有关，如衍射损耗；非选择性损

21、耗：损耗大小与横模无关，如输出损耗。3、无源腔损耗或证：计算：衍射损耗：由于衍射作用反射镜不能覆盖衍射光而造成的损耗。L：腔长, ：光波长, a：反射镜半径证：2a2(a+L)L设初始光强为I0则单程光强为：输出损耗：由于反射镜透射光而造成的损耗。r1、 r2:两反射镜的反射率T:半反镜的透射率（r1=1, T=1-r2 0.05）或证：设初始光强为I0 ,则往返一周光强为I1=I0r1r2当T下能级粒子数）产生激光的条件： （2）增益 损耗 即自激振荡的阈值条件红宝石激光器= 694.3nm一、结构 的反射率是100， 的反射率为4070（称为半反射）， 是工作物质红宝石（ ），由 单晶中掺

22、入少量三价铬 离子（0.05%）组成 。 是个氙灯（石英管内是氙气），可以通过数百安上千安的电流，发出极强的可被红宝石中 离子吸收的光谱，氙灯的作用是把电能转化为可被 吸收的光能。 是一高压电容，作用是放电时为氙灯提供大电流，因它的作用是向氙灯提供能量，所以又叫储能电容，其容量一般为数百上千 ，耐压数千伏。 是一椭圆反射镜（又称聚光镜），光从一个焦点出来一定被反射到另一焦点。 是一小变压器，变压比数百至上千，次级绕在氙灯上，初级和小电容 及可控硅连接，可控硅的触发端控制什么时候发射激光。1、打开高压直线电源，直流电源将向储能电容 充电。 中储能： 。电容中的电荷不可能从氙灯上流过，因为氙灯的着

23、火电压有上万伏。这时高压便加在氙灯两端，氙灯并不放电发光。二、工作过程2、 上充电。其通路为：220V电压源 的初级地 。4. 椭圆聚光镜（腔）把氙灯光汇聚到红宝石棒上。3. 完成1和2后，在P点加3V10V电压，可控硅即导电导通。 通过可控硅、T的初级放电形成电流。在变压器的次级感生出上万伏高压，高压使氙灯上的氙原子电离，从绝缘体变成导体，储能电容 C 内储存的数千焦耳的能量流过氙灯。此时氙灯仅有不足1的电阻。数千伏电压产生数千安的电流。氙灯光比照相机闪光灯亮得多。 P 实际是一个能带（能量范围很大），所以 离子可吸收氙灯光中一个较宽频带的光子而跃迁到 能级上。5. 红宝石棒中的 离子将吸收

24、氙灯光中的绿光光子，把光子的能量变成自己的内能，由基态（能量最低状态）能级跃迁到高能级。红宝石中 的能级如下图所示。一般把基态能级用 表示，高能级用 表示。 从 跃迁到 ，吸收光子的能量： 。 红宝石中的 能级简图 离子跃迁到高能级上后，不能久留（即能级寿命短）；10-9秒左右的时间即离开 。往哪里去，仍能回到基态 ？不，绝大多数将跃迁到另一能级 上。 是个亚稳态（即稳定程度仅次于稳态的原子能级状态）。 离子在这个态上存留的时间是310-3秒，比 长106倍。 是个好地方， 离子在这里不走了。 离子从 的过程必须放出能量 ，这部分能量是通过碰撞方式传给红宝石晶体的，使晶体变热，红宝石粒子这种跃

25、迁过程不发出光子，叫无辐射跃迁。6. 到此，让我们别忘了，氙灯仍然在放光，所以大量的离子吸收氙灯光子从基态 跃迁到 ，又迅速地从 跃迁到 ，到了 就停下来，使大量的 离子源源不断地被“抽运”到 （或被泵浦到 ）。氙灯的作用就象是一个泵，但这不是水泵，而是光泵，所以把氙灯又叫光泵（Light pumps）。7. 设想一个光子（能量 ）进入红宝石并和 离子碰撞，在碰撞中可能发生两种情况：(1) 如果所碰到的 离子在基态， 离子将光子吸收跃迁到高能态 ，这叫受激吸收。(2) 如果碰到的 离子在激发态， 离子发射出和入射光一样的光子，这就是受激辐射，也就是说光是被吸收还是激发出一个新光子完全取决于 离

26、子所在的能级。 从几率的概念看问题。如果高能级 上的粒子数 小于低能级 上的粒子数 ，则光子被吸收的可能性要大于再激发出一个新光子的可能性；如果 ，则很可能再激发出一个新光子的可能性大于光子被吸收的可能性。定义 叫粒子数反转（粒子布居数反转），所谓反转是指本来 离子基本都在 上（ ），现在 ，所以叫粒子分布（布局）反转了。当大量光子进入一个粒子布居数反转的红宝石时，将有多于半数的光子保存了自己并激发了新光子，少于半数的光子被吸收，宏观来看光被放大了，这就是光放大。红宝石能使光放大叫对光有增益。粒子布局数反转是实现光放大的必要条件之一。 8. 光泵发出的光越强，可在很短的时间内把大量 离子从基态

27、 抽运到亚稳态 （经 ），从而实现粒子数反转， 的能级寿命越长，越容易实现粒子布局数反转。9. 一些上的粒子因自发辐射辐射出694.3nm的光子，这些光子中总有一些是沿红宝石轴向的光被红宝石放大、又被反射镜来回反射，反复放大，光强越来越强，这就是激光。两反射镜的作用相当于电子振荡线路中的反馈回路。一切激光器都要有光的反馈光路，也就是说一切激光器都必须有一个谐振腔（有两片反射镜）。10. 在电子线路中电子振荡器必须满足幅值条件，振荡器的放大倍数必须大于信号沿反馈回路一周的损失。在激光器中，这一条件也必须得到满足，叫做：光在沿谐振腔往返一周所获得的增益，必须大于光在谐振腔中的往返一周所受的损失。即

28、增益大于损耗。增益由红宝石提供，损耗主要是由于谐振腔半反射镜漏光引起的。定义：(1) 刚刚能使红宝石激光器形成激光振荡的储能电容器的能量叫红宝石激光器的能量阈值。(2) 能使激光器形成激光振荡的增益系数叫增益系数的阈值（增益系数即单位长度介质放大倍数）。11. 当电容的电压下降到不能维持氙灯点燃时，离子的抽运停止了，激光发射也就终止了。激光形成过程图示三、红宝石激光器输出光的特性 红宝石激光器是典型的固体激光器，一个普通红宝石激光器输出光的特性是：多脉冲、宽光谱、高功率。具体可作如下描述：1. 时间特性：激光呈尖峰脉冲结构。如下图所示。(1)氙灯点燃0.5ms后，后开始出现激光。(2)然后是一

29、系列尖峰脉冲，两尖峰间约数微秒间隔，有数千脉冲。形成脉冲的原因：一旦激光形成了，就存在着增加粒子反转和减小粒子反转两个过程。氙灯积累激光减小无光再积累再出光再减小再无光氙灯熄灭。2. 谱线宽度：0.4 nm（2.4105 MHz），这样的宽度比 HeNe 激光宽度（10-5 nm）要宽得多。相干性比较差，但在动态全息摄像中又需要它。3. 输出功率高，如果使用调 Q 技术可以使功率可达到数万、数十万、数百万兆瓦。四、形成激光振荡的基本问题从红宝石激光器工作过程看，什么问题是要引起关注的呢？（1）泵浦方法（如何把粒子运到激光上能级以产生粒子数反转）。（2）激光工作物质的增益问题（增益的产生，以及增

30、益大于损耗）。（3）激光谐振腔（提供反馈回路，实现多次往复的光放大）。632.8nmHeNe激光器有三种波长不可见一、 基本结构 （1） M1、M2是两个反射镜，构成一个光学谐振腔。M1是平面反射镜，镀七层介质膜，属/4 膜系（或硫化锌一氧化镁，或氧化锆一氧化硅）。反射率R9598。M2是凹面反射镜，镀17层介质膜，反射率R100，也属1/4入膜系（/4膜系中的有三种波长：6328、1.15m、3.39m）。你希望这个He-Ne激光器出什么波长就镀什么膜。激光（2）激光器（除反射镜M1、M2外的全部）是硬质玻璃（或石英玻璃）壳，由人工吹制而成。S内充He气和Ne气，He：Ne7：1，总气压为几

31、托。（3）毛细管（A）：一根玻璃管，内径0.82mm。当电极加上高压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。（4）阴极区。区内装有阴级D，一般都用铅做成筒状，因为铅的电子发射率高和溅射率小，筒状是为了增加电子发射面积和减少阴极溅射（气体发生自激放电，从阴极发射出的原子或原子团可沉积在阳极或真空室的壁上，这种溅射称为阴极溅射）。（5）阳极（C）：是一直径为2mm的钨杆（棍）。（6）高压直流电源：能输出几千伏电压，电流从3mA10mA。这种He-Ne激光器具有全封闭结构，叫内腔式激光器。（7）布氏窗：输出线偏振光，垂直于纸面的光反射出腔外。 二、氦氖激光器放电通路和所需电压和电流

32、1. 打开高压直流电源，电源输出一数千伏直流高压。2. 直流高压加在正负极上，通路是：正极A区（毛细管）C区D负极R（大电阻，几十K）电源正极。高压使He-Ne气体击穿导电，电流（几mA）沿上述回路流动放电气体呈橙红色，口头上说：激光器点着了。3. 气体击穿前，He-Ne激光器正负极间电压为数千伏，气体击穿后，大电阻R分去部分电压，在长管的两极间有数百伏电压，流过He-Ne激光的电流比较小，410mA。4. 激光器点着后，Ne原子立即被抽运到高能级，实现粒子数反转并形成增益大于损耗的状态，立即出现激光束。三、氦氖激光器632.8nm波长激光激发机理Ne基态的电子组态为：Ne原子基态能级为：受激

33、时，2P壳层中的一个电子跃迁到较高能级态而形成激发态。Ne原子电子激发组态可以为：习惯上Ne原子的能级用帕刑符号表示，Ne原子激发组态与帕刑符号的关系用下图表示：电子组态 帕邢符号1S2P2S3P3S子能级1S51S41S31S22P102P92P82P72P62P52P42P32P22P12S52S42S32S23P103P93P83P73P63P53P43P33P23P13S53S43S33S2所谓激光激发机理就是激光器和产生激光有关的各能级的跃迁过程。632.8nm激光输出3.39 激光输出1.15 激光输出未画出1、和产生632.8nm激光有关的He和Ne的能级结构。（1）He有二个能

34、级参予激光过程。基态 和亚稳态能级 2 ，亚稳态能级有较长的寿命。（2）Ne有四个能级参予632.8nm的激光过程。基态 。能级：1S2。能级：2P4 ，寿命是19.1ms。能级：3S2（寿命1020ms。（7）1S态原子主要通过与管壁碰撞把能量交给管壁而回到基态，这一过程称为“管壁效应”。（6）2P4能级不能向基态跃迁（违禁的），而是通过自发辐射跃迁到1S2态。（5）Ne*原子的（3S2）向2P4跃迁，发出632.8nm的光。（4）He原子在2 能级上不能通过自发辐射回到基态。但He*原子和基态Ne原子发生非弹性碰撞，把能量转移给Ne原子，使Ne原子激发到3S2能级上。这就是所谓能量的共振转

35、移。2. 激发过程（1）在热平衡状态下，He原子和Ne原子几乎全部在自己的基态上（也就是所有原子都处于能量最低状态），而其它能级基本上是空的。（3）He原子的 2 是亚稳态，寿命较长，能积累大量He原子。激发态原子常用He*表示。（2）当激光管放电时，阴极发射电子高速向阳极运动，电子在运动中与基态He原子发生频繁非弹性碰撞，电子能量转移给He原子，使He原子从基态激发到2 。这种碰撞可能是几个电子轮番碰撞一个He。（a）He的2 能级比Ne的3S2能级能量稍低一些（0.0048eV），这一能量是由原子热运动的动能补充的。（b）Ne的3S2能级寿命不太长（1020mS），但He*和基态Ne原子碰

36、撞几率极大，所以3S2上能积累大量激发态Ne原子。说明：四、激光产生的过程 1. 在激光管点燃时，下述二过程同时发生着：（1）Ne*（2S2）能级（激光上能级）粒子的积累过程：共振转移电子碰撞Ne原子从基态被高速率抽运到激光上能级3S2。He1He2（2）Ne（2P4）能级（激光下能级）的出空过程： 2P4 1S2基态 自发辐射管壁效应总之，激光上能级粒子数增大，而激光下能级是空的，所以粒子数反转就建立起来了，从而在毛细管内建立起增益区。2. 光学谐振腔的反馈反射作用，使平行于毛细管轴线运动的光子反复通过毛细管多次而得到放大。3. 当光在毛细管中通过时，如果所获得增益高于光的损耗时，激光就产生

37、了。光的单程损失，主要是两片反射镜透射率引起的。光增益系数（单程）:例如：当全反镜和输出镜的透过率分别为 和 （九层介质膜）时，总损耗（单程）2.2。这时腔长多长才能出光？（G）如果d=1mm，计算得毛细血管有效长度必须大于70mm才能产生激光。如何抑制3.39 激光振荡？（1）用色散棱镜把3.39 的光散射掉。（2）腔内放置甲烷吸收盒。甲烷对632.8nm的光 透明，对3.39 吸收。增大其在腔内的损 耗抑制其振荡。（3）外加非均匀磁场。利用塞曼效应，磁场 引起谱线分裂。波长越长谱线分裂越宽， 增益越小。五、影响激光功率的参数1. 两反射镜不平行（称为光学谐振腔失调）。这时，反射镜失去反馈作

38、用（或说腔损耗增大），一般认为二镜平行度应小于约半分。2. 输出镜最佳透过率。如果输出镜反射率R很大，则光腔损失很小，易于满足增益大于损耗，很易出光，但光只在腔内而不能输出；如果输出镜反射率R很小，光腔损失就大，以至于增益比损耗还小，又不能产生光辐射。所以要求有最佳透过率，它往往是由实验得出。3. 最佳放电电流。经验证明、激光管点燃后，如果从最小输入电流（一般3mA）逐渐增大，He-Ne激光光功率也增大，但达到一定值后，电流增加，光功率反而变小。六、输出特性 1. 输出功率。有两个特点：（a）可以连续输出。(b) 通过激光器内毛细血管加长激光功率可以从0.5mw增加到30mw。2. 方向性好。

39、方向性好于红宝石激光器，接近理论值。因为激光介质是气体，总是均匀的，而红宝石内有应力和气泡。3. 单色性好。在采取一定措施后，He-Ne激光使长的误差范围如下： 。半导体激光器主要内容： 一、半导体激光器的能级（带）和P-N结二、同质结半导体激光器的基本结构三、半导体激光器的工作过程四、半导体激光形成的条件五、异质结半导体激光器 一、半导体激光器的能级（带）和P-N结下图为半导体、绝缘体和金属中的电子的能级图。特点：半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带，导带中的电子在外场作用下运动而参与导电；绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差；金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。半

40、导体绝缘体金属禁带价带导带Ef电子能量导带：电子能量大，处于自由状态。它的能量水平是在上一块阴影中，这里阴影实际上表示一系列横线，电子可以是横线中任一条的高度所代表的能量。费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假想能级，在费米能级被电子和空穴占据的几率相等。 Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性小于1/2； Ef以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。1. 半导体的能带。价带（满带）：电子能量较小，具有的能量不足以挣脱原子核的束缚。这种由价电子所形成的能带称为价带，这也是一系列密密麻麻的横线，每一横线是一个电子可能具有的能量。禁带：在价带和导带

41、之间，是由子所不能具有的能量值。几种半导体的能带和电子分布： (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 电子浓度空穴浓度本征半导体：杂质、缺陷极少的纯净的半导体。在纯硅基半导体材料中，硅电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。2. 费米统计（1）在一个由N个电子构成的物质系统中，任何两个电子都不能具有相同的能量。即在一个能级上不可能有两个以上的电子。（2）在上述物质系统中，能级E上被一个电子占据的概率为：上式说明能量值小于费米能级的每个能级上面基本上都有一个电子，而大于费米能级能量的能级，电子存在的可能性很小。本征半导体导带中：本征半导体价带中：因为导带所有能级都

42、高于费米能级，所以整个本征半导体导带上电子是很少的（很少有电子有导带能量）。价带所有能级都低于费米能级，所以电子基本上都处于价带中（价带也就很少有空穴）。3. 高掺杂半导体。掺杂使费米能级升高或下降。（1）在半导体GaAs中掺入Zn，将使这半导体中的费米能级下降，甚至降到价带里面去，由于电子在费米能级之下，所以在费米能级和导带之间缺少电子，出现空穴，这就是P型半导体。载流子：价带中电子激发至导带，留下空穴。临 近电子填补这个空穴，又留下另一个空 穴。空穴产生位移，统称载流子。（2）在GaAs中掺入碲（Te），将使GaAs费米能级上升到导带中去，在费米能级之上，则价带顶部将有大量电子填充在导带中

43、，这就是N型半导体。电子（-）、空穴（+）称为载流子。4. PN结（1）结合。把一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起组成PN结。（2）扩散。P型半导体中空穴多，N型半导体中自由电子多，一旦它们连在一起就要发生扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散，P型的空穴向N型扩散。当两种材料接触时，过剩电子和空穴分别由N区和P区向对方扩散，空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定的杂质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移动，称为空间电荷区。（3）自建场的建立。有静电荷的出现就要形成电场，电场是从正电荷指向负电荷，这样的电场叫自建场（即

44、势垒）。在PN结形成过程中，空间电荷区的两边的E f逐渐接近，直到扩散停止时两者相等，如图所示。此时空间电荷区形成电压V0，从N区指向P区，相当一个高势垒，从而阻止扩散继续进行，在没有外电场的情况下，上述过程很快结束，扩散停止。P型区N型区(EF)P(EF)N(EF)N(EF)PPN结的能带结构变化在PN结区出现二条斜线：上边一条的意义是：在导带最低的能量处如果一个电子从P区走向N区，它所遇到的电位空间分布越来越低，低0再低，但它的位能却越来越大；下边一条则表示在价带中最高能量的电子在空间的能量分布。这个斜坡就是一个电位的强势垒。PN结能带二、同质结半导体激光器的基本结构1、一块P型半导体 。

45、通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）2、一块N型半导体 。通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m介质膜反射层激光3、P型半导体和N型半导体接触的附近的一个小区叫P-N结区。 4、解理面。相对地有两个，两个解理面平行，构成一个谐振腔。 5、导线。电流从“”的一端流向“-”的一端。工作过程：电流从“”极进入，从负极出。激光从解理面射出。三、半导体激光器的工作过程1. 当P-N结加正向电压时（P加正电压，N加负电压），势垒降低，引起电子和空穴扩散。（1）外场是由P区指向N区，外场正电压将大部

46、抵消结区P型半导体的负电位；外场负电压将大部抵消结区N型半导体的正电位。PN结能带（2）这样，结区两边的电位差大大降低了。即结区斜度下降，又导致在PN结区电子的位能远大于空穴位能。（3）此外，电子又重新由N向P运动。2. 电子、空穴在PN结区相遇，导带电子的能量大于价带空穴能量，复合时，电子把多余的那部分能量释放出来形成光辐射。3. 在反射镜的反馈下（即二解理面），光形成激光。四、半导体激光形成的条件1. 半导体必须是高掺杂的，N区的掺杂使费米能级进入导带，P区的掺杂使费米能级进入价带。2. 在P-N结上加的正向电压必须足够高，以便使结区空穴位能大大低于电子位能，这是形成“粒子数反转”的条件。

47、 导带 价带 导带 价带正常分布反转分布五、异质结半导体激光器 1、同质结GaAs激光器的缺点就是要使这样的激光器工作需要注入很大电流，阈值电流为3000050000安培/cm2。而一个如上激光器供电面积0.15mm9.3mm=0.00045cm2，在这么小表面上要注入22.5安培的电流才能发光。造成这么大电流注入的原因 ：（1）发光区域d太宽。（2）在有源区，光有衍射损失。一旦加在PN结上的电流等于或超过阈值电流，激光就形成了。光实际上并不限于有源区，而要向有源区两侧（即无源区）衍射，在无源区中光只能被吸收，使电子从价带跑到导带中去。2、 双异质结半导体激光器 双异质结的概念：这种结构由三层

48、不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有一层厚0.1-0.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。 半导体激光器的特点：体积小，效率高、寿命长、功率大，成本低，波长范围宽。它是激光光纤通讯的重要光源。目前已在光存储、光陀螺、激光打印、测距、光雷达、医疗等方面有着广泛的应用。光纤激光器IPG万瓦级光纤激光器 激光器问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的Snitzer 和Koester于年首先提出光

49、纤激光器和放大器的构思。年高锟和Hockham提出了光纤通信的基本概念。年后光纤通信经历研究开发阶段（），实用化阶段（）迅速进入年以后的大规模光纤通信建设阶段。 一、光纤激光器研究进展 随着光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美国的Polaroid Corporation,Bell实验室，日本的、均在光纤激光器研究中取得许多重要成果。 近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，不仅展示，Bands 的各种光纤放大器，高功率的，Raman光纤激光器和双波长Raman光纤激

50、光器，更引起国际关注的是该公司已推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好，M2小于1.1。 高功率光纤激光器具有光束质量好、寿命长、转换效率高的优点，其主要性能已明显优于半导体激光泵浦的固体激光器和CO2激光器。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的应用而且迅速地向其他激光应用领域扩展，这是一类已经取得技术突破，正在向技术的广度和深度迅速发展的、有重要应用前景的激光器。 二、光纤激光器基本结构 谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环 。谐振腔耦合光学系统工作物质(增益光纤)准直光学系统LD泵浦源 光纤激光器的基本结构与固体激光

51、器的结构基本相同，如下图所示： 光纤激光器大致可分为三类: （1）稀土元素掺杂光纤激光器 掺杂离子可为Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基质可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，磷酸盐玻璃、单晶、光子晶体光纤等。 （2）染料光纤激光器 纤芯、包层或二者加入激光染料。 （3）非线性光纤激光器 利用光纤中的SRS，SBS非线性效应产生波长可变换的激光。三、光纤激光器的主要特点 （1）光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点； （2）由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧

52、灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高； （3）由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果非常好，所以光纤激光器可以工作在-2070的环境温度内，不需要庞大的水冷系统，只需简单的风冷即可，且可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下正常运转； （4）具有相当好的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围（380nm3900nm）和相当好的单色性和高稳定性，使用寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以； （5）采用特殊的器件结构可获得高功率输出或超短脉冲输出。四、高功率光纤激光器 光纤激光器不仅与固体、气体、半导体激光器等相比，有非常明显的优越性，而且

53、与二极管泵浦固体激光器相比，也有更好的光束质量，可得到更小的聚焦光斑。随着光纤激光器应用的更加广泛，对高功率光纤激光器的需要越来越大。为了获得高功率输出，关键之一是包层泵浦技术（Cladding pumped technology）。1、双包层光纤激光器 双包层掺杂光纤的构形如下图所示。 内包层光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光 双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。 在双包层结构中，泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置

54、有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。 美国IPG公司相继推出输出功率为700W、2KW和10KW的掺Yb双包层高功率光纤激光器产品。为了提高光纤激光器的输出功率，可采用多组宽带区多模半导体二极管作为泵浦源，其基本结构如图所示。 2、高功率光纤激光器关键技术（1）产生激光的特种光纤（Yb-doped double cladding fiber）；（2）光纤光栅（激光腔）；（3）大功率激光二极管泵浦光/光纤输出；（4）多路泵浦光注入耦合系统；（5）多路光纤激光合波器。一、谱线加宽1、概念 2、分类： 实际上由于各种因素的影响，受激辐射并不是单色的，而是分布在中心频

55、率 附近一个很小的范围内。这就叫谱线加宽。 谱线宽度 半高全宽 D 两种加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽（1）均匀加宽： 每一个发光粒子（原子、离子、分子）发的光对谱线内的任一频率都有贡献。（2）非均匀加宽： 每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率才有贡献。在非均匀加宽中，各种不同的粒子对不同频率有贡献。自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽多普勒加宽 (Doppler Broadening)二、线型函数1、定义：单位： s2、性质：3、本质： 反映发光粒子或光源光谱线形状。自然加宽: 发光粒子在自发辐射过程中由于辐射电磁波不断衰减而导致的谱线加宽。 由原子在激发态的有限寿命引起。三、自然加

56、宽线型函数洛仑兹型N:自然线宽2:激光上能级寿命线型函数:复习原子发射电磁波的过程：研究原子发射电磁波时，通常用谐振子持续振动辐射电磁波这样的理论模型。证明：(1)自发辐射光场模型x由阻尼振荡：（场时函数）阻尼系数：由自发辐射几率：(2)光谱函数(场频函数)对E(t) 傅立叶变换得到：(3)光谱函数的积分(4)线型函数 例1：He-Ne激光器和CO2激光器上能级寿命分别为10-8s和10-4s，求(1)两激光器发光粒子所发光的自然线宽。(2)两激光器在中心频率处的线型函数值。解：He-Ne激光器：CO2激光器：例2：分别求频率为 和 处的自然加宽线型函数值(用峰值gm表示)。一、碰撞加宽（均匀

57、加宽）1、机理:由于气体分子间的碰撞，使发光粒子提前中断发光而引起的谱线加宽。2、线型函数洛伦兹型L:碰撞线宽L:平均碰撞时间 碰撞加宽的光场模型：二、光学多普勒效应1、定义:当光源与接收器间存在相对速度时,接收器测得光频将发生变化。2、频移计算公式3、碰撞线宽经验公式CO2:=0.049 MHz/Pa He-Ne:=0.75 MHz/Pa p:气体压强：碰撞系数接收器光源n0Vz0Vz0n光学多普勒效应(1)光源静止、接收器运动:光频； ：接收器测量频率； :接收器速度。向着光源方向运动时取+；离开光源方向运动时取-。当接收器向着光源运动时，有：S .B(2)接收器静止、光源运动 :光源速度

58、。向接收器方向运动时取-；远离接收器方向运动取+。.SB单色光波 假想光源发光粒子 感受光波的接收器1、共振速度三、多普勒效应在激光器中的应用若 ，原子（发光粒子）感受到频率为 ，当 时,共振相互作用最大；发光粒子假想光源n当发光粒子沿z向运动时，原子感受到频率为 ，当 时 ,共振相互作用最大。（1）定义：光波沿腔轴线传播时,可引起受激辐射跃 迁的发光粒子的速度变化。（2）计算：0:发光粒子固有中心频率；s:光波频率；接收器(发光粒子)运动,光源静止。 :发光粒子运动方向与光波传播方向相反； （接收器向光源运动） :发光粒子运动方向与光波传播方向相同。 （接收器远离光源运动）证明：讨论s 0,

59、发生共振的粒子反光波传播方向运动。发光粒子0(接收器)光源s（2）计算：0、0:发光粒子固有中心频率及波长。2、表观中心频率(表观中心波长)（1）定义：激光器输出镜一侧的接收器所测量到的 发光粒子的频率或波长。光源(发光粒子)运动,接收器静止。 :发光粒子沿腔轴z的运动速度,向输出镜运动取+。证明：讨论：发光粒子向输出方向运动时0 0,0 0；发光粒子反输出方向运动时0 0。发光粒子(0)接收器(0)四、多普勒加宽(非均匀加宽)1、机理：由于气体分子无规热运动造成发光粒子多 普勒频移而引起的谱线加宽。 2、线型函数高斯型D:多普勒线宽；k:玻尔兹曼常数； m:发光粒子质量； T:温度。(1)粒

60、子数按速度分量 的分布函数N:总粒子数；定义:表达式：分布曲线：(2)粒子数按表观中心频率0的分布函数dN:表观中心频率在0-0+d0范围内的粒子数；定义:dN:速度分量在 范围内的粒子数。0解析表达式证明:(3)光谱函数(4)线型函数光谱函数的积分线型函数3、多普勒线宽经验公式0:激光器中心波长 证明:或M:发光粒子原子量或分子量五、均匀加宽与非均匀加宽的线型函数1、均匀加宽洛伦兹线型H：均匀线宽均匀加宽的特点：每一个发光粒子（原子、离子、分子）发的光对谱线内的任一频率都有贡献。2、非均匀加宽高斯线型i：非均匀线宽非均匀加宽的特点：每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率才有贡献。在