第八章现代光学基础

第八章现代光学基础激光发展简史激光简介非线性光学理论基础：爱因斯坦的光子学说(1905)；波粒二象性(1909)辐射理论(1917)：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射放大。Einstein激光发展简史理论基础：

R.C.Tolman指出：具有粒子数反转的介质具有光学增益（产生激光的基本条件之一）（1924）。Tolman激光发展简史实验基础：Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov激光发展简史

1958年Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。Schawlow激光发展简史美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。Maiman激光发展简史1961年研制出中国第一台红宝石激光器

1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器激光发展简史一、激光的产生与激光器二、激光的特性与应用光的光增益光学谐振腔产生激光的条件激光器激光的特性激光的应用激光原理高能级低能级1.原子数按能级分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律:ENE2E1N2N1光的光增益受激吸收自发辐射受激辐射光子与原子分子相互作用离子2.光与物质相互作用光的光增益1)受激吸收过程外来光子:能级跃迁:2.光与物质相互作用光的光增益受激吸收爱因斯坦系数粒子体系在单位时间、单位体积内吸收的光子数B12·(21)·N1低能级E1的粒子数密度外来光场中频率的能量密度W12=B12·(21)受激吸收概率:光的光增益2)自发辐射过程高能级上的粒子自发地低能级跃迁激活粒子的平均寿命:2自发辐射概率为:光的光增益

设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为N2一般激发态粒子寿命:某些物质存在亚稳态能级:单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子数是：A21N2自发辐射爱因斯坦系数光的光增益3)受激辐射过程趋近高能级E2上的粒子时外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级E1发射一个全同光子(频率相同、传播方向相同、偏振方向相同）光放大光的光增益B21·(21)·N2在光场

(21)作用下,单位时间、单位体积内受激辐射产生的光子数为:W21=B21·(21)受激辐射概率受激辐射爱因斯坦系数B21·(21)=B12·(21)跃迁概率相等:

受激吸收受激辐射同时存在光的光增益受激吸收总是占优势表现为光的吸收通常情况下：N1N2B21·(21)·

N1B12·(21)·

N2

粒子数分布反转受激辐射占优势为得到光放大,必须使N2

N1光的光增益视频1)实现粒子数反转分布的条件电激励化学激励热激励光激励(A)

激励(又称泵浦)3.介质对光的增益作用光的光增益光激励光的光增益电激励光的光增益(B)合适的能级结构

二能级系统

用光泵的方法不可能实现粒子数反转分布光的光增益

三能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3

于E2

间实现粒子数反转。光的光增益E3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亚稳态能级在

E2和E1能级间也有可能实现粒子数反转。亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N红宝石激光器的工作物质：红宝石——是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。光的光增益

四能级系统

比三能级系统容易实现粒子数反转分布。光的光增益

氦氖气体激光器是四能级系统氖原子在间实现粒子数反转分布光的光增益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞电子碰撞激发电子碰激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移zdz增益介质实现粒子数反转后的工作物质2)介质的增益作用zdI(z)zz+dzL通过增益介质后,光强随距离增长介质对光的增益系数光的光增益一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。1.光学谐振腔的作用光学谐振腔激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：2nL=q=qc2nL

L:

腔长n:

气体折射率振荡模式

是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。

m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。

q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。1.纵模能引起振荡的频率关系2.横模光场在横向不同的稳定分布。光学谐振腔IxyITEM00横模IyIxTEM10yIIxTEM11光学谐振腔(1)

要有适当的激光工作物质(2)

要有外界激励源(3)

要有激光谐振腔激光形成的基本条件1.激光形成的基本条件产生激光的条件2.激光形成的阈值条件光在谐振腔内受到各种损耗:(1)

反射镜的透射损耗(2)

谐振腔的内部损耗I3I1I0rr12内I4I2光在腔内往返一次不会被衰减的条件，即形成激光振荡的阈值条件：内阈内产生激光的条件产生激光的条件由以上讨论可将激光工作原理总结如下：(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引起受激辐射(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返振荡，不断得到放大(4)满足阈值条件下形成激光1.激光器的组成谐振腔工作物质激励系统激光器固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器按工作物质分类2.激光器的分类激光器气体激光器工作物质：原子气体、分子气体和离子气体氦氖激光器氩离子激光器液体激光器工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。染料激光器半导体激光器紫外激光器可见光激光器红外激光器按波段范围分类激光器脉冲激光器连续波激光器按运转方式分类激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级，对应的主体角在10-6sr量级。普通光源发出的光辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。激光束是高度平行的光束。1.方向性好激光的特性光波的单色性可表示为氦氖激光的单色性比单色性最好的普通光源，如氪灯好倍。谱线宽度中心波长=2.单色性好激光的特性3.亮度高激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用开关的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。激光的特性由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性。特制的氦氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪灯只有38.5cm。4.相干性好激光的特性1.激光加工利用聚焦激光束具有极高功率密度的特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、划片、雕刻、去重和热处理。优点：无实体接触、加工精度高(1m以下)、畸变小、节能。激光的应用激光打孔激光切割激光焊接2.激光精密计量激光的单色性好，相干性强，用作计量检测，具有很高的精度。

激光测距仪3.激光信息处理

激光的相干性好，用它作为光源，能够使存储、