高等激光技术1

<高等激光技术>中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系王声波137055115450551-63601074sbwang@科大东区物理楼621B室课程说明课程内容:激光原理+激光技术+激光器件+激光应用教学主要参考书：1《激光原理》陈钰清，王静环编著，浙江大学出版社；2《激光技术》蓝信钜等编著，科学出版社;3《激光器件》周广宽等编著，西安电子科技大学出版社；4《现代激光工程应用技术》，朱林泉等编著，国防工业出版社。或其他任何与激光原理、技术相关的书籍。课程要求：以课堂授课内容为主，要求掌握基本概念、基本物理过程和相关的基本技术方案。对于复杂公式及其推导不做要求。课程学时:总学时：80学时,周学时:5学时(周一:6、7、8（下午2：00-4：00），,周四1、2),共16周,其中第16周开始,复习考试.授课方式:PPT+板书补充课程考核方式:总成绩=平时成绩（课程论文20%~40%）+期末考试成绩（80%~60%)。会给出思考题和习题。课程内容序第一章

激光的物理基础第二章工作物质的增益特性第三章光学谐振腔及其模特性第四章激光器振荡、输出特性第五章激光调Q原理与技术第六章激光锁模原理与技术

第七章典型激光器第八章激光选模、调谐、稳频技术第九章激光放大技术第十章激光束空间变换技术第十一章激光非线性频率变换技术第十二章激光参数测量技术第十三章激光应用技术序激光是什么？激光是一种光源，与原子能、半导体和计算机一起被称为20世纪的四大发明。其应用几乎渗透到所有的领域。光：是一种物质存在，具有波动(光波)和粒子(光子)二象特性。光可作为信息载体和能量载体。单光子能量：є=hν；光源发出光束的（单色）亮度B：B=E/(∆T∆S∆Ω∆ν)；

光源发出光束的光子简并度

：总光子数/光子运动状态数（或光波模式数）=n/g光子简并度和亮度的关系：=Bλ²/(2hν)光束功率：P=E/∆T;光束强度（光强）：I=E/（∆T∆S）=P/∆S=B∆Ω∆ν

激光的产生过程是光与物质相互作用的过程。激光光源的发光机制，不同于一般光源的发光机制，其根本区别在于：前者是受激辐射发光，后者是自发辐射发光；前者各粒子之间发光是相干的，后者各粒子之间发光是互不相干的。激光:是一种特殊的光，是由粒子（原子、分子、离子等）系统（工作物质）的受激辐射光放大过程所产生的高亮度相干光；是受激辐射过程超过受激吸收过程和自发辐射过程而占优势所产生的光放大；是能量在时间、空间、方向、频率上高度集中的光。其亮度B或光子简并度极高。具体体现在有好的方向性、好的单色性、高阶相干性等特性。

受激辐射过程产生的光超过受激吸收过程吸收的光，要求：实现激光上下能级粒子数反转。即要有合适能级结构的粒子系统（工作物质）和提供输入能量的浦泵抽运源；受激辐射过程产生的光超过自发辐射过程发出的光，要求：光子简并度大于1。即提高光子数，减少模式数。需要光学谐振腔。激光器：工作物质，谐振腔，浦泵抽运源；激光产生条件：1、实现粒子数反转；2、满足阈值条件，即增益大于损耗。

光学谐振腔工作物质泵浦抽运系统

激光的发展历史可以追溯到20世纪早期。由爱因斯坦于1917年首先提出了受激辐射的概念,并指出,这种辐射的显著特性是辐射的频率、传播方向、和偏振状态都与诱导的光波相同。显然，如果光源的发光是以受激辐射为主，那么光源的亮度、单色性和相干性便会有飞跃的提高。而且他将物质发光和光与物质相互作用关联起来，将受激辐射、受激吸收、自发辐射三个过程有机地联系起来，推导出著名的爱因斯坦关系式。但是当时没有引起重视。主要因为：1、当时科学家们的兴起集中在光谱技术的发展，其丰富了原子、分子结构知识，成为灵敏的化学成分分析技术；2、当时实际光源中受激辐射成分极其微小，难以观测。[Einstein,A.,”DieQuantemTheoriederstrahlung”,Phys.,Leit.,18,121(1917)],

入射光hν=E2-E1原子吸收入射光子

并跃迁至高能级

受激吸收

hν=E2-E1

hν=E2-E1

入射光hν=E2-E1受激辐射

实际上，激光是在无线电电子学技术的发展推动下的产物。直接的原因：是二战时期，由于无线电通讯的军事需要，对于“低噪声信号发生器”的研究，以期获得强相干、短波长λ(高频率ν,接近光波段）的电磁辐射源。这是因为:1、ν越大，可携带的讯息量越大；2、ν越大，可利用的频率范围（带宽）越大；3、ν越大，发射效率越高；4、ν越大，其方向性及空间分辩率越高。然而在无线电电子学技术中，是依据电子学组件（电子管或半导体晶体管）中载流子（或自由电子）的空间状态的改变来交换能量而发射电磁波的，其发射频率受能量交换速度的限制，不能实现接近光波段（1微米量级）的强相干电磁波。在光波段，传统的在无线电波段行之有效的电子学技术都已无效。

直到1954年，美国的汤斯(C.H.Townes)小组和前苏联的普罗霍罗夫(A.M.Prokhorov)、巴索夫(N.G.Basov)小组几乎同时，利用新的物理机制---受激辐射过程，用氨分子（NH3）的微波跃迁（波长11.06微米，12.08微米，12.28微米，81.5微米等），实现了微波段的受激辐射放大，研制成功微波量子放大器，即Maser,MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。（Gordon,J.P.,H.J.ZeigerandC.H.Townes,”MolecularmicrowaveoscillatorandnewhyperfinestructureinthemicrowavespectrumofNH3”,Phys.Rev.,95,282(1954);N.G.BasovandA.M.Prokhorov,”Applicationofmolecularbeamstotheradiospectroscopicstudyoftherotationspectrumofmolecules”,J.expt.Theoret.Phys.(USSR),27,431(1954).汤斯、普罗霍罗夫、巴索夫三人因此获得1964年度诺贝尔物理学奖。并由此形成了一个新的学科分支---量子电子学。

Maser研制成功后,很多科学家致力于将该技术扩展至光波段。其中最具代表的是1958年肖洛（A.L.Shawlow)和汤斯(C.H.Townes)发表的文章”Infraredandopticalmaser”(Phys.Rev.,112,1940(1958)).在该文中,他们提出并详细讨论了在光频区或近光频区实现”maser”的可能性、原理及实现途径（实验方案）。在1960年5月17日，美国休斯公司的迈曼（又称梅曼，T.H.Maiman)成功运转了世界上第一台激光器----脉冲自由运转的红宝石激光器(波长694.3nm纳米)。(Maiman,T.H.,”StimulatedOpticalradiationinruby”,Nature,187,493(1960)。Laser---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

此后至今,应用于不同方面的成千上万种激光器被发明出来。1960年，红宝石Cr3+:Al2O3激光器;1961年,He-Ne,CO2激光器;1964年,Ar+,Nd3+:YAG激光器;1966年,染料Dye可调谐激光器;1971年,N2激光器;1975年,半导体激光器CWDiodelaser;1977年,半导体量子阱激光器;1980年,KrF准分子激光器;1984年,X-raylaser;1987年,LDpumpedNd3+:YAG激光器;1989年,Ti:sapphire钛宝石激光器;1992年,Ti:sapphire钛宝石自锁模飞秒fs激光器;1997年到4.5fs;….

1961年11月,我国第一台红宝石激光器研制成功。由中国科学院长春光机所（上海光机所）、北京物理所、北京电子所合作完成。Laser---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，中文名称：早期：莱塞，镭射，光量子放大器，受激光放大器等。1964年12月钱学森建议使用“激光器”“激光”中文名称。激光—由粒子（原子、分子、离子等）系统（工作物质）的受激辐射光放大过程所产生的高亮度相干光；是受激辐射过程超过受激吸收过程和自发辐射过程而占优势所产生的光放大；广义激光—由受激辐射机制所产生的高亮度相干光以及在此基础上通过其与物质相互作用产生的各种高亮度相干光。

激光的出现意义在于：1、使无线电电子学技术与光学技术有机联系起来：电子学---光子学-----光电子学无线电通讯---光通讯雷达---激光雷达电子学测距-----激光测距制导----激光制导集成电路---集成光学电缆---光缆电子计算机---光计算机（正在攻关）………….

2、使光源在亮度与相干性上获得了突破，给传统的光学技术注入了新的强大的生命力。光源发出光束的（单色）亮度B：B=E/(∆T∆S∆Ω∆ν)；E，∆T，∆S，∆Ω

，∆ν。光能量在时间、空间、频率上高度集中。在激光器中采用相关的激光技术，通过极大地减少光波模式数或光子运动状态（量子状态）数来实现光能量在时间、空间、频率上高度集中。第一章激光的物理基础

---一些基本概念的回顾和引入第一节光波的模式或光子的运动状态（量子状态）第二节光子简并度第三节光的自发辐射、受激吸收、受激辐射和爱因斯坦关系式第四节激光的产生和激光的基本特性第一节光波的模式或光子的运动状态（量子状态）一、光波的模式（波动观点）光的波动观点认为，光是电磁波，可用光电场强度矢量表达一束光的特性，即E(P,t,ν)。把每一个能代表场振动的分布叫做电磁场(光波)的一种模式(或称一种波型),场的不同本征振动状态表示为不同的模式。在光频区,一种光波模式代表麦克斯韦方程组的一个特解，代表具有一定偏振、一定传布方向、一定频率和一定寿命的光波。一般的光场可以表示成各种不同模光场的线性组合。光波模式数的估算：在频率为ν---ν+∆ν范围内，空间体积为V的各向同性介质中,可能存在的光波模式数.(物理上不可区分的)

(1)、频率一定，偏振一定，因传播方向不同可能存在的模式数目

以平面波为例：任何两个模式的光束在方向上必须至少相差一个平面波的衍射角才能分辩开来。要求：

一束光在R处所张的立体角：衍射极限角=夫朗和费圆孔衍射的爱理斑所张的角度:

在整个空间4π立体角内，在单位通光面积中科分辨的模式数为：(2)、传播方向一定，偏振一定，因频率不同，可能存在的模式数目

（在范围内可能存在的模式数）

可区分的单个波列长度：

（3）考虑两个独立偏振，×2.

综上所述：在单位体积中，频率为范围内，因传播方向、频率以及偏振状态的不同，可能存在的模式数为：

二、光子的运动状态（粒子观点）光子的基本特性1、光子能量ε=hν,普朗克常数h=6.626*E(-34)J.s.2、光子运动质量m=ε/c2=hν/c2(爱因斯坦质能关系)静止质量m0=03、光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应，P=mcn0=(hν/c)n0=hk,n0为光子运动方向上的单位矢量;4、光子具有两种可能的偏振状态，对应于光波场的两个独立的偏振方向；5、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数；符合玻色--爱因斯坦统计规律；不受泡利不相容原理限制。

光子的运动状态数的估算:在频率为ν---ν+∆ν范围内，空间体积为V的各向同性介质中,可能存在的光子的运动状态数.(物理上不可区分的)由测不准原理所限制.由光子统计理论，光子的运动状态不能用相空间中的一点来表示。

球壳内可能有的光子状态数：(2)、考虑两种独立偏振态，×2，

第二节光子简并度一、定义式：光源发出光束的光子简并度δ：总光子数/光子运动状态数（或光波模式数）即δ=n/g二、热光源的光子简并度δ三、光子简并度和光源亮度的关系：δ=Bλ²/(2hν)四、黑体辐射的普朗克公式

一、定义式：光源发出光束的光子简并度δ：总光子数/光子运动状态数（或光波模式数）即δ=n/g（1）、同一光子态内的光子数；（2）、同一光波模式内的光子数。

二、热光源的光子简并度δ热光源，在热平衡时，发光粒子系统各能级的粒子数分布遵循玻尔兹曼分布：

三、光子简并度和光源亮度的关系：

四、黑体辐射的普朗克公式

空腔黑体在热平衡下，发射的光子遵循玻色-爱因斯坦统计规律：

第三节光的自发辐射、受激吸收、受激辐射和爱因斯坦关系式一、光的自发辐射二、受激吸收三、受激辐射四、爱因斯坦关系式五、三过程跃迁几率之间的关系六、如何使得受激辐射过程超过自发辐射和受激吸收只考虑共振跃迁，粒子在能级间的跃迁和光子的吸收或发射是一一对应的关系，即单光子过程。线性光学范畴。一、光的自发辐射

入射光hν21=E2-E1原子吸收入射光子

并跃迁至高能级

二、受激吸收

hν21=E2-E1

hν21=E2-E1

入射光hν21=E2-E1

三、受激辐射

四、爱因斯坦关系式

爱因斯坦在分析空腔黑体热平衡状态时，认为上述三种过程同时出现，满足：单位时间内物质辐射的光子数=单位时间内被物质吸收的光子数（相应的粒子数变化也相等）

五、三种过程跃迁几率之间的关系

六、如何使得受激辐射过程超过自发辐射和受激吸收

激光:是一种特殊的光，是由粒子（原子、分子、离子等）系统（工作物质）的受激辐射光放大过程所产生的高亮度相干光；是受激辐射过程超过受激吸收过程和自发辐射过程而占优势所产生的光放大；（1）、受激辐射过程产生的光>受激吸收过程吸收的光

（2）、受激辐射过程产生的光>自发辐射过程产生的光

第四节激光的产生和激光的基本特性一、激光产生的条件和激光器的组成部分及其作用二、光的受激放大和增益系数三、激光的振荡和阈值条件四、激光光束的基本特性一、激光产生的条件和激光器的组成部分及其作用

受激辐射过程产生的光超过受激吸收过程吸收的光，要求：实现激光上下能级粒子数反转。即要有合适能级结构的粒子系统（工作物质）和提供输入能量的浦泵抽运源；受激辐射过程产生的光超过自发辐射过程发出的光，要求：光子简并度大于1。即提高光子数，减少模式数。需要光学谐振腔。

激光器的基本组成及其作用：1、工作物质（增益介质，激活介质）：提供放大作用，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，同时在激光形成和振荡过程中，由于介质的增益饱和特性，可以改善激光光束的基本特性；通常采用三能级结构或四能级结构2、光学谐振腔：使受激辐射的光能够在光学谐振腔内维持振荡，即提供对光的来回放大、正反馈，同时由于其存在选择性损耗而具有限模作用，大大减少激光束的模式；3、泵浦抽运源：从外界提供能量，使激光上下能级之间实现集居数反转。（电、光、气动、化学等抽运方式）

激光产生条件：1、实现粒子数反转；2、满足阈值条件，即增益大于损耗。

二、光的受激放大和增益系数全反射镜(强度透过率T1=0)工作物质

部分反射镜(强度透过率T2=T)M1M2

增益系数

三、激光的振荡和阈值条件1、激光振荡工作物质+泵浦源---激光放大器；激光放大器+光学谐振腔（正反馈）---激光振荡器；

同时考虑增益和损耗的作用：

2、阈值条件

激光产生条件：1、实现粒子数反转；2、满足阈值条件，即增益大于损耗。

第四节、激光光束的基本特性及描述1、空间特性2、频率特性3、时间特性4、强度特性5、体现在方向性、单色性、相干性（高阶相干性）

1、空间特性(激光光束空间分布）

激光束好的方向性来自于光学谐振腔中好的模式。横模---相对稳定的光场横向空间分布。

L’=2fz1z=0

z1’z2’z2

L给出一类光学谐振腔（双镜稳定球面镜腔）的激光束场分布

已知

R1,R2,L值,可唯一解出一组z1,z2,f值.

当菲涅尔数F较大＞1，同时在共焦腔中心附近,其解为角向长椭球函数可以进一步简化表示为厄米多项式(Hermitian)和高斯(Gauss)分布函数的乘积----厄米-高斯光束.

行波场：博伊德—戈登求出,腔内一点(x,y,z)的行波场为:

不同的m,n值,表示不同的相对稳定的光场振幅(强度)分布,即不同的横模,记为TEMmn模,m,n为横模序数(或横模指数)。TEM00模---基横模或基模，TEM01模或TEM10模---低阶模，其他---高阶模。TEM00模---基横模或基模，

x方向,m阶,m个零点(节点),m条暗线,m+1个峰值y方向,n阶,n个零点(节点),n条暗线,n+1个峰值光斑半径:2πF越大,场越集中镜面中心及其附近,越小,镜边缘场振幅渐增(衍射损耗增大);统一,高阶模在镜边缘处的振幅比基模的大;近似解与精确解在镜面中心及其附近符合较好.

基模高斯光束模体积

z1

z=-L'/2z'1'z=0z'2z=+L'/2z2

*圆形实对称共焦球面镜光学谐振腔中光场特性采用极坐标.在F值足够大(且近轴近似),圆形实对称共焦球面镜光学谐振腔中自再现模在腔镜上的场分布为缔合拉盖尔多项式和高斯函数的乘积--拉盖尔-高斯光束.

其中(r,Ф)为镜面上的极坐标，为Cpl归一化常数,L表示共焦腔的腔长，Lpl为缔合拉盖尔多项式TEMplq模或LG模本征值:光斑具有圆对称形式.p表示径向(r方向)节线圆的数目;l表示角向(沿幅Ф方向)节线的数目;

基模TEM00q的光场分布也为高斯函数:基模TEM00q在镜面上光斑尺寸与方形镜一样:TEMplq在镜面上光斑尺寸:谐振频率:基模TEM00q的光场分布、发散角、在镜面上光斑尺寸与方形镜一样；高阶模两个相邻模瓣位相差π；同阶次的两个正交偏振模，可以合成为其他偏振模。

几个典型的拉盖尔-高斯光场分布

在实际的激光器中常有模式畸变和简并现象，从而导致输出光不是某一单一模式，而是两个或多个模式的叠加，称之为简并模。在柱坐标系下，LG01（cos）和LG01（sin）是最低阶拉盖尔-高斯模式的两个分量，这两个模具有旋转对称性，其中一个模由另一个模绕中心轴旋转90°而得到，两个模式之间有π/2的相位差。两个模式通过叠加可以得到一个空心横模，称为LG01*模（如图所示）。

两个模式简并得到空心横模（LG01*）

关于激光光束的方向性

二、激光光束的频率特性1、由工作物质的增益线型来确定频率范围2、光学谐振腔（驻波腔）确定分立频率3、光学谐振腔与工作物质共同作用（满足阈值条件）

1、由工作物质的增益线型来确定频率范围

2、光学谐振腔（驻波腔）确定分立频率

3、光学谐振腔与工作物质共同作用（满足阈值条件）

频率特性

频率特性

三、激光束的时间特性连续波(CW)运转,自由振荡脉冲运转,调Q脉冲运转,锁模脉冲运转,

1、连续波运转（CW运转）连续泵浦，连续输出，连续功率：P

2、脉冲运转（1）、自由振荡激光脉冲运转a、单次泵浦对应的自由振荡脉冲由一系列随机的（峰值、脉宽、脉冲间隔等）尖峰脉冲所组成。

自由振荡激光器时间特性----尖峰脉冲形成过程