激光 原理 历史 发展市公开课一等奖省名师优质课赛课一等奖课件

第一章激光概述先修科目几何光学物理光学量子力学参考书目激光原理国防工业出版社周炳琨等编量子电子学科学技术出版社1983年版AmnonYariv，刘颂豪等翻译Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,1998第一章激光概述1.1激光发展与现实状况1.2激光产生机理1.3激光特征1.4激光器实例1.1激光发展与现实状况提到激光时脑海中第一印象？1.1激光发展与现实状况什么是激光？LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：受激辐射光放大死光：叶永烈《珊瑚岛上死光》镭射：LASER音译1.1.1激光发展历史史前时代17世纪—对光本性探求：波动说：以一定方式沿空间传输波动过程，惠更斯、虎克；微粒说：以经典方式运动着微小粒子，牛顿；19世纪：光波动本性有了深入发展电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1.1激光发展历史19世纪下半叶发展起来电磁场理论能够解释光反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等试验现象，这些包括到光与物质相互作用时能量与动量交换特征就无法用当初经典理论来解释。1.1.1激光发展历史拂晓前黑暗19，普朗克提出了能量量子化概念，并所以取得19诺贝尔物理学奖；19，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并所以取得19诺贝尔物理学奖；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"1.1.1激光发展历史19，玻尔借鉴了普朗克量子概念提出了全新原子结构模型，并所以取得1922年诺贝尔物理学奖；19，爱因斯坦在玻尔原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光出现奠定了理论基础；1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”存在；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"1.1.1激光发展历史1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发觉了显著受激辐射，这是受激辐射第一次被试验验证。Lamb因为在氢原子光谱研究方面成绩取得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，Kastler提出了光学泵浦方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学伎俩研究微波谐振方法而取得诺贝尔奖。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"1.1.1激光发展历史1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，方便研究宇宙背景辐射。Townes因为在受激辐射放大方面成就取得1964年诺贝尔物理学奖。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"1.1.1激光发展历史突破1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一个新事物登上了历史舞台。1960年5月，休斯试验室Maiman和Lamb共同研制红宝石激光器发出了694.3nm红色激光，这是公认世界上第一台激光器。1.1.1激光发展历史1960年年中，IBM试验室利用CaF2中三价铀制成了第一台四能级固体激光器；1960年12月，BELL试验室Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；从19爱因斯坦提出受激辐射概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上突破，为何激光器没有早半个世纪诞生？1.1.1激光发展现实状况发展更大为了进行高能物理、热核聚变等方面研究工作，激光器产生能量密度和功率不停提升。现在世界上功率最大激光器是美国国家点火工程（NIF）中使用NOVA激光系统，其峰值功率到达1.3PW（1015W），该系统有望在今年投入使用。1.1.1激光发展现实状况更小各种工业指示、标识、探测用半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；1.1.1激光发展现实状况更集成各种通信用激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，而且集成了调制、功率检测、温度监测等功效模块。1.1.1激光发展现实状况更加快更高调制频率：GHz；更短脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多样化多样化泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；1.1.2理论体系经典理论（ClassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子半经典理论（SemiclassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述量子理论（QuantumLaserTheory）电磁场和原子——二者作为一个统一物理体系作量子化处理速率方程理论（RateEquationTheory）量子理论简化形式，忽略光子相位特征和光子数起伏特征1.1.2理论体系激光器严格理论是建立在量子电动力学基础上量子理论，在标准上能够描述激光器全部特征；不一样近似程度理论用来描述激光器不一样层次特征，每种近似理论都揭示出激光器一些特征，所以能够依据详细应用选择适当近似理论；本课程主要用到理论是经典理论和速率方程。1.1.3激光应用从科幻到现实第一个描述激光作品？威尔斯在1898年小说《世界大战》（火星人入侵）：“由某种方式在非传导小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热……”CO2激光器，由CO2作为工作物质，经过放电激发产生10.6um红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜组成反射望远镜系统；火星大气充满CO2，而且有强烈大气放电（闪电），所以可能存在天然激光；1.1.3激光应用激光实际应用工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；芯片刻蚀等。1.1.3激光应用医疗：最早激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；美容；外科手术等。科研：全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源项目；可控核聚变；光镊、冷冻原子1.1.3激光应用确定地月距离登月是20世纪最大骗局？阿波罗15号在登月时带上了一套尤其设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来激光光束，经过统计往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯光斑在月面上会大于月球直径。1.1.3激光应用军事激光测距直接摧毁激光制导1.1.3激光应用其它条码扫描照明、成像通讯娱乐1.2激光产生机理1.2.1黑体辐射与普朗克公式黑体：一个物体能够完全吸收任何波长电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所表示空腔辐射体是黑体理想近似。黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度热平衡状态，它吸收电磁辐射和发射电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这将造成空腔内存在完全确定辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。1.2激光产生机理普朗克公式：黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率

函数，并能够用单色能量密度

描述，表示单位体积内，频率处于附近单位频率间隔中电磁辐射能量，其量纲为。为了解释试验测得分布规律，普朗克提出了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率附近全部模式上平均能量为：1.2激光产生机理而腔内单位体积中，频率处于附近单位频率间隔内电磁场模式数：所以能够得到黑体辐射普朗克公式：其中K为波尔兹曼常数：1.2激光产生机理1.2.2受激辐射与自发辐射自发辐射（Spontaneousemission）处于高能级E2原子自发向较低能级E1跃迁，并发射一个能量为光子，这种过程称为自发辐射。自发辐射特点：各个原子所发光向空间各个方向传输，是非相干光。假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁原子数dn21为：其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁原子数与n2比值，其物理意义是每一个处于高能级原子发生自发跃迁几率。1.2激光产生机理按照定义：从上式能够解出：自发辐射平均寿命定义为原子数密度由起始值降至它1/e时间，则高能级原子数随时间改变可表示为：经过比较能够得到：，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命倒数，是由原子本身性质决定，不受外部辐射场影响。1.2激光产生机理怎样确定自发辐射系数？生活中自发辐射？红宝石晶体自发辐射平均寿命测量装置测量得到原子自发辐射能量衰减曲线1.2激光产生机理受激吸收（StimulatedAbsorption）假如黑体原子和外加电磁场之间相互作用只有自发辐射这一个，是无法维持腔内稳定电磁场，所以爱因斯坦预言，黑体原子必定存在着一个受外加电磁场激发而从低能级向高能级跃迁过程。处于低能级E1一个原子，在频率为辐射场作用（激励）下，受激地向E2能级跃迁并吸收一个能量为光子，这一过程称为受激吸收，用受激吸收跃迁几率描述：受激跃迁与自发跃迁不一样，其跃迁几率不但与原子性质相关，而且与外加电磁场成正比，所以唯象将其表示为：其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。1.2激光产生机理受激辐射（StimulatedEmission）与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外加电磁场之间还存在另一个受激相互作用，一个处于高能级E2原子在频率为电磁场作用下，受激地跃迁到E1能级，并放出一个能量为光子，该过程被称为受激辐射跃迁。能够用受激辐射跃迁几率W21来描述受激辐射过程中高能级原子数改变规律：受激辐射跃迁机率一样与外加电磁场和原子特征相关：1.2激光产生机理1.2.3跃迁几率之间相互关系当黑体处于确定温度T热平衡状态时，含有以下三个特点：腔内存在着由普朗克公式描述热平衡黑体辐射；腔内物质原子数按照能级分布服从热平衡状态下波尔兹曼分布：

g1、g2为能级E1、E2统计权重；腔内处于E2（或E1）能级原子数应保持不变：1.2激光产生机理由特点3得到：将普朗克公式和波尔兹曼分布带入上式有：令，能够求出爱因斯坦系数之间相互关系：尤其，当g1=g2时，B12=B211.2激光产生机理1.2.4受激辐射相干性自发辐射和受激辐射区分是什么？自发辐射发出光子在相位、传输方向、偏振方向等特征上是无规则，即平均分配在腔内可能稳定存在全部电磁场模式上；受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生过程，由量子电动力学能够严格证实受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即含有相同频率、相位、波矢和偏振等特征。按照经典原子模型，将原子看作简谐振动电偶极子，自发跃迁是原子中电子自发阻尼振荡，所以每个原子自发跃迁相互之间没相关联；而受激辐射能够看作电子在外加光场作用下做受迫振动，其振荡频率、相位、方向等与外加光场一致。大量原子在同一辐射场激发下产生受激辐射光子处于同一光子态，因而是相干。1.2激光产生机理1.2.5光受激辐射放大光放大基本原理：利用受激辐射；因为在原子与外加光场相互作用时同时存在受激辐射和受激吸收两种作用，想要实现光放大，必须要满足关系：由爱因斯坦系数相互关系及波尔兹曼分布得到光放大条件：“不可能”前提是原子数按照能级分布服从波尔兹曼分布，那么要实现光放大，必须使原子数按能级分布打破波尔兹曼分布，即使得高能级原子数大于低能级原子数，使物质处于粒子数反转状态，或者称为负绝对温度状态。要满足该条件，只有T<0，这意味着物质处于温度低于绝对零度状态，而这是不可能。1.2激光产生机理怎样使物质处于粒子数反转状态？经过各种泵浦机制，利用各种外部能量，使大量处于低能级物质粒子跃迁到高能级，实现粒子数反转，为光放大做好准备。用增益系数来描述光放大物质对光放大能力，增益系数定义为光波在 介质中经过单位长 度后光强相对增 长率：1.2激光产生机理求解上面微分方程，能够得到位置z处光强：其中G0为增益系数初值，当粒子数差值(n2-n1)不随距离改变，而且I0很小情况下，G不随光传输而发生改变，这种情况称为小信号增益。当I伴随传输而逐步增加时，高能级粒子被不停消耗，所以G也随之降低，G(z)伴随z增加而降低现象称为增益饱和。1.2激光产生机理1.2.6光自激振荡在光放大物质中，除了存在受激跃迁现象外，还有各种原因引发光传输损耗，我们用损耗系数来描述这些损耗，它定义为光经过单位距离后光强衰减百分比：在同时存在增益和损耗光放大介质中，光强随传输距离改变能够表示为：要利用增益介质实现对入射光放大，应满足两个基本条件：实现粒子数反转；G>a；损耗大于增益增益大于损耗1.2激光产生机理入射光能够被无限放大吗？假设一个微弱光I0入射到一段增益介质中，其初始增益系数为G0，G0>a，此时光强伴随传输距离增加而不停增强：但伴随光强不停增加，增益介质中高能级粒子不停因为受激辐射而跃迁到低能级，增益介质增益系数不停减小，直到减小到时，光强将不再随传输距离改变而改变，此时光强称为饱和光强Im。1.2激光产生机理从上面讨论能够知道，只要增益介质足够长，不论多微弱入射光，都能够被放大为饱和光强Im。至此我们具备了产生激光一个必要条件：能够对特定频率微弱入射光进行受激放大，新问题是：入射光从何而来？处理之道——自发辐射。 自发辐射会产生微弱、频率为 荧光，能够 作为受激辐射入射光。要产生我们需要高强度、方向性好激光，还有两个问题要处理：要取得最大放大效果，需要近似无穷长度增益介质，然而这在工程上不可实现，怎样尽可能增加增益物质长度？自发辐射产生光子前进方向是随机，假如直接对其进行受激辐射放大，得到激光在方向上也是随机，怎样选择特定方向光来进行放大得到方向性很好激光？1.2激光产生机理在激光实际应用中，利用各种不一样结构光学谐振腔来处理上述两个问题。结构最简单光学谐振腔是在工作物质两端放置两块平行平面镜而组成平行平面腔，经过让需要放大光在两块平面镜之间反射，实现了近似于无限长增益介质；经过限制平面镜尺度，使得自发辐射产生微弱光在谐振腔内反射过程中，只有靠近平面镜中心而且方向垂直于平面镜那部分光才能在其中屡次反射，得到足够屡次放大而形成激光，其它方向光则快速溢出谐振腔外，无法形成正反馈过程。经过这种方式实现了对激光方向性选择。1.2激光产生机理光学谐振腔作用提供正反馈控制激光模式光学谐振腔作用很主要，但并不是不可或缺，在一些高增益工作物质组成激光器中，不需要谐振腔就能够形成自激振荡，只是相干性较差。1.3激光特征1.3.1光子基本特征能量：动量：质量：光子没有静止质量偏振态：光子有两个可能独立偏振状态，对应于光波两个独立偏振方向；自旋：光子含有自旋，其自旋量子数为整数，光子属于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即处于同一量子态全同粒子数目没有限制。任意电磁场能够看作是一系列单色平面电磁波线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢来标识；也能够将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁波等效电磁波本征模式线性叠加；本征模式能量、动量含有量子化特征，即能量为基本能量整数倍，动量为基本动量整数倍。含有基本能量和基本动量物质单元称为属于第个本征模式光子。1.3激光特征1.3激光特征1.3.2光波模式与光子相格在有边界条件限制空间V内，只能存在一系列独立存在、含有特定波矢单色平面驻波，能够稳定存在于腔内驻波称为光波模式。考虑如图所表示金属空腔，任何能够存在驻波应该满足以下条件：其中m、n、l为正整数，由波矢表示式能够得到波矢三个分量：每组不一样m、n、l标识了不一样模式，假如在由kx、ky、kz组成空间中表示不一样模式，其结果如右图，每个不一样模式分别占据图中一个方格。能够求出在该空间中一个模式占据体积为：1.3激光特征波矢在范围内波矢空间体积为：则在该空间内所包含光波模式数为：由波矢定义有：能够得到在体积为V腔内，频率附近间隔内模式数P为：所以单位体积内，频率附近，单位频率间隔模式数为：1.3激光特征光子状态与相格在辐射场中光子能够用动量、位置和偏振态来对其加以区分；宏观上质点运动状态能够用位置（x,y,z）和动量（Px,Py,Pz）来完全确定，一个运动状态对应相空间（x,y,z,Px,Py,Pz）中一个点；微观上粒子运动满足测不准原理：在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个体积元，称为相格，其在相空间中体积为：1.3激光特征在波矢空间中一个光波模式占据体积是：因为腔内稳定存在光波模都是由两列相向传输行波组成，所以每个模式动量能够写成：将以上结果代入(1)式，可得到：即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光波模等效于一个光子态。1.3激光特征1.3.3相干性光源相干体积考虑频率宽度为沿z方向传输准单色平面波，由双缝干涉理论可知光源相干面积：光波相干长度为其波列长度：则光源相干体积为：其物理意义为：如要求传输方向限于之内并含有频率宽度光波相干，则光源应局限在空间体积Vc内。1.3激光特征光子相干性光子动量在(x,y,z)方向分量分别为：依据前述光子态在相空间体积为可得：上式表明相格空间体积等于相干体积，假如光子属于同一光子态，则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态光子是相干。1.3激光特征光子态与光波模式是电磁场运动状态描述两种等效提法，是两种等效物理概念；相格空间体积以及一个光波模式或光子态占有空间体积都等于相干体积；属于同一状态光子或同一模式光波是相干，而不一样状态光子或不一样模式光波是不相干。1.3.4激光特征1、激光空间相干性与方向性方向性越好、空间相干性程度越高方向性（发散角）受衍射极限限制2、激光时间相干性与单色性单色性越好、相干时间越长3、激光高强度光子简并度——处于同一模式中光子数目激光器能够产生很高单模功率，即高光子简并度1.3激光特征1.4经典激光器介绍固体激光器：红宝石、Nd:YAG气体激光器：原子、分子、离子液体激光器：染料激光器新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、自由电子激光器、化学激光器1.4经典激光器介绍固体激光器基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统组成。右图是长脉冲固体激光器基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。2.红宝石激光器 红宝石是在三氧化二铝(Al2O3)中掺入少许氧化铬(Cr2O3)生长成晶体。它吸收光谱特征主要取决于铬离子(Cr3＋)，它属于三能级系统。3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)

工作物质:将一定百分比Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成，呈淡紫色，它激活粒子是钕离子(Nd3＋)，它属于四能级系统。1.4经典激光器介绍红宝石中铬离子能级结构Nd3＋:YAG能级结构固体激光器泵浦系统固体激光工作物质是绝缘晶体，普通都采取光泵浦激励。当前泵浦光源多为工作于弧光放电状态惰性气体放电灯。泵浦光源应该满足两个基本条件。惯用泵浦灯在空间辐射都是全方位，因而固体工作物质普通都加工成圆柱棒形状，所认为了将泵浦灯发出光能完全聚到工作物质上，必须采取聚光腔。右图所表示椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采取聚光腔，它内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。固体激光器泵浦系统还要冷却和滤光。常 用冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导 冷却等，其中以液冷最为普遍。泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵 浦光中紫外光谱。1.4经典激光器介绍固体激光器基本特征能量转换效率低，要经过电、光、原子、激光路径来形成受激辐射放大；运行方式有连续、脉冲、调Q、放大、调制等；输出光谱有数千条，覆盖了可见光、近红外光、紫外（利用晶体实现倍频）；输出峰值功率极高（锁模）---太瓦、飞秒；1.4经典激光器介绍QuantelFrequency-DoubledNd-YAG1.4经典激光器介绍单脉冲能量：500mJ脉冲宽度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重复频率：10Hz平均功率：5W1.4经典激光器介绍气体激光器分类原子---产生激光作用是没有电离气体原子，所采取气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体，有时也采取氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子气体，或铯、镉、铜、锰、锡等金属原子蒸气。分子（准分子）---产生激光作用是没有电离气体分子，所采取分子气体有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸气等；准分子激光器工作气体在常态下为原子，当受到激发时，可暂时形成寿命很短分子，称为准分子，这种分子也能产生激光。常采取准分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。离子---利用电离后气体离子产生激光作用，主要有惰性气体离子和金属蒸气离子。离子激光器经典代表是氩离子(Ar+)和氦-镉(He-Cd)离子激光器1.4经典激光器介绍气体激光器工作原理电激励---气体放电在高电压下，气体分子发生电离导电(叫做气体放电)，被电场加速电子与气体原子(或分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转，这一过程称为放电激励。气体放电可采取直流或交流连续放电、射频放电(高频放电)、脉冲放电等形式。直流和交流放电又分为纵向放电和横向放电两种。

除放电激励外，还可用电子枪产生高速电子去激励气体，使之跃迁到高能级，这称为电子束激励。1.4经典激光器介绍氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器能够分为内腔式、外腔式和半内腔式三种