光电子技术激光原理

光电子技术激光原理第一页，共二十四页，2022年，8月28日一、光子的基本性质一、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。1.4激光原理5、光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量光子的集合服从玻色——爱因斯坦分布。第二页，共二十四页，2022年，8月28日二、光的相干性的分类（1）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。描述时间相干性的等效物理量：①相干时间：②相干长度：③谱线宽度：（2）空间相干性：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。第三页，共二十四页，2022年，8月28日光的自发辐射、受激辐射、受激吸收爱因斯坦在光量子理论的基础上，考虑了光和物质相互作用的模型(原子的两个能级)，引入了两个重要概念，同样得出了普朗克公式光的自发辐射在没有外界作用的情况下，原子从高能级E2向低能级E1的跃迁方式有两种：无辐射跃迁和自发辐射跃迁。自发辐射跃迁自发辐射光辐射出的光子能量：第四页，共二十四页，2022年，8月28日光的自发辐射、受激辐射、受激吸收光的受激吸收受激吸收跃迁示意图入射光当原子系统受到外来的能量为的光子作用下，如果，则处于低能级上的原子由于吸收一个能量为的光子而受到激发，跃迁到高能级上去的过程。第五页，共二十四页，2022年，8月28日光的自发辐射、受激辐射、受激吸收受激辐射跃迁示意图入射光受激辐射光光的受激辐射光的受激辐射：当原子受外来的能量为的光子激励下，从高能级跃迁到低能级，原子发射一个与外来光子同频率光子的过程。入射光第六页，共二十四页，2022年，8月28日光的受激辐射和自发辐射的区别受激辐射光是相干光，自发辐射光是非相干光。量子电动力学的解释①受激辐射是在外界辐射的控制下产生的，受激辐射光子与激励的入射光子是同一光子态的，具有相同的频率、相位、波矢、偏振态。大量原子在同一辐射场激发下产生同一光子态或同一光波模式的光子，因而是相干的。②自发辐射不受外界辐射场的影响，是自发的，大量原子的自发辐射光子具有各自不同的频率、相位、波矢、偏振态，呈无规则、随几的分布。自发辐射光平均地分配到腔内所有的模式上，而不属于同一光子态或同一光波模式，因而是非相干的。第七页，共二十四页，2022年，8月28日光的受激辐射和自发辐射的区别原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。第八页，共二十四页，2022年，8月28日光的受激辐射的特点通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。第九页，共二十四页，2022年，8月28日光的受激辐射放大称为激光有一束能量为的入射光子通过激活物质，光的受激辐射过程超过受激吸收过程，受激辐射占主导地位，光在激活物质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。LASER：LightAmplificationbyStimulated

EmissionofRadiation第十页，共二十四页，2022年，8月28日激光的产生当光与物质相互作用时，自发辐射、受激辐射和受激吸收这三个过程是同时出现的，如何实现大量原子的受激辐射产生激光?第十一页，共二十四页，2022年，8月28日集居数反转分布(粒子数反转分布)在物质处于热平衡状态，各能级上的原子数服从波耳兹曼统计分布ni=C*exp(-Ei/kT)

处于热平衡状态下个能级的粒子数分布示意图激光产生必须具备的前提条件第十二页，共二十四页，2022年，8月28日集居数反转是实现激光的必要条件由玻耳兹曼方程得到：正常粒子状态与粒子数反转状态对比示意图正常粒子状态下光的吸收总是大于光的受激辐射粒子数反转状态g为对应能级简并度第十三页，共二十四页，2022年，8月28日选取能实现粒子数反转的工作物质在一般情况下，大量原子处于基态，而处于激发态的时间很短，约为，不稳定。亚稳态不如基态稳定，但比激发态要稳定得多，如：具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转第十四页，共二十四页，2022年，8月28日实现光放大的必要条件——进行泵浦使工作物质处于集居数反转1、集居数：各能级上的原子数。2、要产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内的受激辐射光子数大于受激吸收的光子数。即：3、热平衡状态下无法实现受激辐射的光放大4、集居数反转的实现向物质提供能量，即进行泵浦(或激励)，打破热平衡！第十五页，共二十四页，2022年，8月28日泵浦(或抽运)的方法光泵浦放电泵浦化学反应泵浦重粒子泵浦离子辐射泵浦第十六页，共二十四页，2022年，8月28日光的自激振荡说明：光放大与光的自激振荡既不同，又有联系。一、自激振荡的概念激活介质中增益和损耗两种过程的共同作用与激光振荡的建立、激光功率以及激光脉宽等的变化规律等方面密切相关。第十七页，共二十四页，2022年，8月28日1、损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分比。2、同时考虑增益和损耗以后3、自激振荡过程的建立弱光强I0进入一无限长光放大器,开始时I(z)按小信号放大规律按增长。然后,由于增益饱和效应，I(z)的增长速率会变慢，最后，当时，I(z)不再增长并达到一稳态值Im。由得:第十八页，共二十四页，2022年，8月28日说明：可见,Im只与放大器本身的参数有关而与初始光强I0无关。特别是，不管初始I0多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强Im。这即是自激振荡的概念。这就表明，当激光放大器的长度足够大时,它可能成为一个自激振荡器。实际情况下，使激光放大器足够长是不现实的！光谐振腔⑴定义：只要在有一定长度的光放大器两端放置两个反射镜形成光谐振腔。这样，轴向光波模就能在反射镜间往返传播。就等效于增加放大器长度。光谐振腔的这种作用也称为光的反馈。第十九页，共二十四页，2022年，8月28日光的自激振荡和激光谐振腔光的自激振荡：光在增益介质内传播放大，总存在各种各样的光损耗，当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个稳定的极限值。只要激光放大器的长度足够大，就可能成为一个自激振荡器，实现稳定运转的激光振荡。实际的激光振荡器是将具有一定长度的光学放大器放置在由两块镀有高反射率的反射镜所构成的光学谐振腔内。第二十页，共二十四页，2022年，8月28日激光产生的三个前提条件有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构；有外界激励源，使激光上下能级之间产生集居数反转；有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日光学谐振腔的构成光学谐振腔的构成最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。常用的基本概念：光轴：光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。第二十二页，共二十四页，2022年，8月28日光学谐振腔的种类谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气