光电子技术课件4 激光原理

第１章光辐射与发光源本章概述▲电磁波谱与光辐射

（§1-1）掌握电磁波的性质和光辐射的特点▲辐射度学与光度学基本知识

（§1-2）理解七个辐射量和光度量的概念▲热辐射基本定律

（§1-3）掌握三个定律和三个公式▲激光原理

（§1-4）掌握激光产生的物理机制▲典型激光器

（§1-5）了解几种常见激光器1.4激光原理1.4.1激光及其特性1.4.2激光器的发展历史1.4.3光辐射量子理论1.4.4激光产生的必要条件1.4.5激光器的基本结构

2023/3/18

1.4.1激光及其特性Laser：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：在一定条件下，光与粒子（原子、分子或离子）系统相互作用而产生的受激辐射光放大

。

2023/3/18

激光的特性与普通光源相比，激光具有以下特点：单色性好：氪灯（△λ=4.7*10-4nm）vs氦氖激光器（△λ=2*10-9nm）方向性好：探照灯（△θ～0.1°）vs激光器（△θ～mrad）亮度高：亮度：光源在单位面积上向某一方向单位立体角内发射的光功率太阳表面（2×103W/cm2·sr（球面度））vs红宝石激光器（1011W/cm2·sr）

2023/3/18

相干性好：相干性：不同时刻或不同空间位置光场之间的相关性空间相干性：某个时刻，在空间不同点上的光场之间的相关性。光束的发散角越小，空间相干性越好。时间相干性：在空间某点上，不同时刻光场之间的相关性。单色性越好，时间相干性越好。相干时间：

相干长度：氪灯（Lc～78cm）vs氦氖激光器（Lc～200km）

2023/3/18

激光的特性1916年，美国爱因斯坦，提出概念，指明获得途径(《关于辐射的量子理论》)1954年，美国汤斯（C.H.Townes），研制成功MASER(微波激射器)，1958年，美国和前苏联科学家几乎同时提出了实现激光振荡的具体设想：美国肖洛（A.L.Schawlow）/汤斯（C.H.Townes）：《红外和光学振荡器》）前苏联巴索夫（N.G.Basow）/普洛霍夫（M.Prohorov）：《实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议》1.4.2激光器发展历史1960年，美国梅曼(T.H.Maiman)，

红宝石激光器问世（波长694.3nm）从理论到实现历时44年，原因有二：当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意，学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键1960年秋，美国Javan等1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。1962年，美国Nathan、Hall和Quist在77K（-196.15℃）温度下成功制成GaAs（砷化镓）半导体激光器。

2023/3/18

1966年，Sorokin

等激光泵浦若丹明6G宽可见光区域可调谐液体有机染料激光器。1966年，美国Dimmock、Bulter、Melngailis等低温工作窄带半导体近红外可调谐激光器。1970年，美国Lin等双异质结连续振荡半导体激光器。1980年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格发射(DBR)激光器、超快激光器、自由电子激光器以及随机激光器等相继问世。波长：红外、可见光、紫外、极紫外乃至x射线峰值功率：〉100TW（1TW=1012W）量级最高平均功率：〉MW（1MW=106W）量级调谐范围：从200nm延伸到4m。1.4.3光辐射量子理论

2023/3/18

爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说，提出了光量子理论：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足能量公式和质能方程。光子具有两个独立的偏振态，具有自旋。三种原子跃迁过程在普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，以及波尔提出原子中电子运动状态量子化假设的基础上，爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并认为光和物质中原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁与受激吸收跃迁三种过程。

2023/3/18

2023/3/18

自发辐射跃迁自发辐射：处于高能级态E2的原子自发跃迁到低能级态E1，并同时向外辐射出一个光子。式中，h：普朗克常数，h=6.626×10-34J·sv21：跃迁产生的光波频率。自发辐射跃迁自发辐射概率：单位时间内从高能级态E2上发生自发辐射的原子数密度占高能级总原子数密度的比值。其中N21：高能级上发生自发辐射的原子数密度，

N2：高能级上总的原子数密度。A21代表每个原子在单位时间内E2E1能级的自发辐射几率，又称自发辐射爱因斯坦系数。

A21完全由原子系统的两特定能级特性决定，与外界信号无关———一定原子的特定能级，A21是定值；

2023/3/18

2023/3/18

自发辐射跃迁自发辐射的特点是：这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同，不同光波列是不相干的，其相干性、单色性、方向性都很差。普通光源发光就是自发辐射。自发辐射跃迁自发辐射寿命：单位时间、单位体积内，E2上减少的原子数量为：于是有：

τs

称为E2

能级的自发辐射寿命

2023/3/18

自发辐射跃迁自发辐射寿命的物理意义：经过s后，E2上的原子数密度N2减少到初值N20的1/e倍。s

越大，表明原子在E2上逗留时间越长。s无穷大时，称E2为稳态s

较长的能态称为亚稳态

2023/3/18

2023/3/18

受激辐射跃迁受激辐射：处于高能级态E2的原子在频率21=（E2-E1）/h

的外界光作用下跃迁到E1，同时辐射出能量为（E2-E1）、且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一过程称为受激辐射。

2023/3/18

受激辐射概率：在频率21=（E2-E1）/h

的外界光信号作用下，单位时间内从高能级态E2

跃迁到低能级态E1的原子数密度N21与高能级E2上总的原子数密度N2

之比的比值。受激辐射跃迁为爱因斯坦受激辐射系数,只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度

为E2能级上的粒子数密度,

2023/3/18

受激辐射跃迁受激辐射的特点是：这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同的光子输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大原理。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点，所以激光具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好的特点。

2023/3/18

受激吸收跃迁受激吸收：处于低能级态E1的原子在频率为21=（E2—E1）/h

的辐射场作用下吸收一个光子，并跃迁高能级态E2的过程。

2023/3/18

受激吸收跃迁受激吸收概率：由于受激吸收，单位时间从E1能级跃迁到E2

能级的原子数密度N12与E1能级总原子数密度N1的比值。为爱因斯坦受激吸收系数,只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度

为E1能级上的原子数密度,爱因斯坦关系

大量粒子构成的粒子体系(如原子或分子等)中，三种跃迁同时存在。E2自发辐射的能量(E2-E1)

的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使E1上粒子发生受激吸收，使E2上粒子发生受激辐射，三种过程相互联系，这种相互联系可由表示原子特定能级E1、E2特性的参数A21、B21、B12来表示。

爱因斯坦关系

设一原子系统两特定能级E1、E2简并度分别为g1、g2，在温度T下处于热平衡状态，E1、E2能级原子数密度分别为N1、N2

。原子系统从吸收能量（E2-E1）后，单位时间内通过受激吸收从E1

跃迁到E2

能级的原子数为：处于E2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上的原子数为：由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：即

因而有：

又由于在热平衡状态下，N1

、N2

按照玻尔兹曼分布：式中，k为玻尔兹曼常数。于是有：式中c为真空中光速，于是比较两式，可知：此两式即为著名的爱因斯坦关系式。若E1、E2

两能级简并度相等，即g1=g2，则爱因斯坦关系式可简化为：在热平衡条件下，光辐射的能量密度(21)

又可由普朗克公式给出：讨论：1）受激吸收与受激辐射比较因n1>>n2，故：结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激辐射返回低能级的粒子数很少。

爱因斯坦关系式2.1.4激光产生的必要条件设g1=g2=1,则：2）自发辐射与受激辐射比较

爱因斯坦关系式室温下，普通辐射源的光子简并度跃迁粒子数之比：结论：热平衡下,受激辐射概率(或粒子数)远小于自发辐射概率(或粒子数)。推论：热平衡下(n1>>n2)，大量粒子受激吸收至高能级，主要通过自发辐射返回低能级，不能有效产生激光（受激辐射的光放大）。产生激光的两个必要条件：第一，使系统处于非热平衡态(n1<<n2)，即实现粒

子数反转，以使受激辐射优于受激吸收——

激光工作物质+泵浦源；第二，提高光场的光子简并度，减小振荡模式数

，使受激辐射优于自发辐射——谐振腔。1.4.5激光器的基本结构激光工作物质——提供形成激光的能级结构体系，激光产生的内因；泵浦源——提供形成激光的能量激励，激光形成的外因；光学谐振腔——为激光器提供反馈放大机制，提高受激辐射的强度、方向性、单色性。1.激光工作物质

当工作物质中形成粒子数反转分布时，工作物质处于激活状态，光在此介质中传播时，就会获得放大作用。也就是说，原子系统一旦实现了粒子数反转过程，就变成了增益介质，对外来的光而言就变成了放大器。二能级系统：光泵浦，引起受激吸收，使N1减小、N2增加；受激辐射，N2减小、N1增加，两过程同时进行，由于N1>N2,系统吸收光子，且N2增大，N1减小，最终N1=N2，吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光子——自受激透射态。即便采用强光照射，受激吸收和受激辐射几率相同，无法实现粒子数反转。——二能级系统即使有入射光等激励也不能实现粒子数反转分布，不能用作激光工作物质。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）不够，至少需要一个可以使得粒子具有较长停留时间或较小自发辐射几率的能级：——亚稳态能级（亚稳相对于稳定的低能态或基态而言。）——激光工作物质应至少具备三个能级。实际上激光工作物质不外乎三能级或四能级结构。典型三能级系统：1960年的第一台激光器外界激发使粒子从E1跃迁到E3。E3寿命很短（10-9s量级），粒子无法停留，很快通过非辐射驰豫过程跃迁到E2。E2是亚稳态，寿命较长(10-3s量级），允许粒子停留。——E1的粒子不断被抽运到E3，很快转到E2，在E2上大量积聚，当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为（E2-E1）的入射光，则将产生光的受激辐射，实现光放大。三能级系统要在亚稳能级与基态能级之间实现反转，要把总粒子数的一半以上从E1搬运到E2，对激励源的泵浦能力要求很高，也就是说其激光阈值很高。反转分布机制abc

2023/3/18

四能级系统能级结构如图(c)，

E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁几率都很大；

E3到E2、E3到E1的自发跃迁几率都很小，——外界激发使E1上的粒子不断被抽运到E4，又很快转到亚稳态E3，而E2留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子数反转，产生受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低，现在绝大多数的激光器都是四能级结构。反转分布机制abc介质一般处于粒子数正常分布状态，反转分布状态必须用外界能量来激励工作物质。在外界作用下，粒子从低能级进入高能级从而实现粒子数反转分布的过程称为泵浦。泵浦过程就是原子(或分子、离子)的激励过程。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。泵浦源是组成激光器的三个基本部分之一，是形成激光的外因。而激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。合适的激励方式和能量大小对激光效率产生重要影响。2.泵浦源从直接完成粒子数反转的方式来分，主要有以下泵浦方式：(1)光激励方式：大多数固体激光器用一束自发辐射的强光或激光束直接照射工作物质，利用激光工作物质泵浦能级的强吸收性质将这种光能转化成激光能。(效率不高)

。(2)气体辉光放电或高频放电方式：大多数气体激光器由于工作物质密度小，粒子间距大，相互作用弱，能级极窄，且吸收光谱多在紫外波段，用光激励技术难度大，效率低，故多采用气体放电中的快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子数反转。(3)直接电子注入方式：半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转，且效率高。(4)化学反应方式：通过化学反应释放的能量完成相应粒子数反转的泵浦方式。化学激光器就是这类泵浦方式，一般具有功率大的特点。热激励、冲击波、电子束、核能等等都可能用来实现粒子数反转。泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定。泵浦方式

光学谐振腔是构成激光器的重要器件，它不仅为获得激光输出提供了必要的条件——限制了可能的模式数目，同时还对激光的频率(高单色性)、功率(高亮度)、光束发散角(方向性好)及相干性等有着很大影响。

两平面镜构成的法－珀腔是一种最简单的谐振控。实际情况中，根据不同的应用场合及激光器类型，可以采用不同曲率、不同结构的谐振腔。但不管是