激光是什么...ppt
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1、-Internal Use Only-Internal Use Only-激光(Laser)是什么?蔡志岗蔡志岗蔡志岗蔡志岗2009年6月19日-Internal Use Only-Internal Use Only-激光的名词来源LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)通过通过受激辐射受激辐射实现的实现的光放大光放大 20世纪的四项重大世纪的四项重大的发明之一:的发明之一:激光激光原子能原子能半导体半导体计算机计算机 5/22/20242 2-Internal Use Only-Internal Use O
2、nly-激光技术发展简史激光技术发展简史1.1.1917年:年:爱因斯坦在爱因斯坦在关于辐射的量子力学关于辐射的量子力学 一文预言了一文预言了 原子原子受激辐射受激辐射发光的可能性,即存在激光的可能性发光的可能性,即存在激光的可能性;2.20世纪世纪50年代:年代:Bell Lab 的汤斯和肖洛的光激射器理论;的汤斯和肖洛的光激射器理论;激光器方案的提出;激光器方案的提出;3.1960年:年:梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器;制成世界上第一台激光器;Sorokin and Stevenson:CaF2激光器;激光器;Javan:He-Ne激光器;激光器;5.1963年年Petal
3、:CO2激光器;激光器;1965年年 Kasper:化学激光器;:化学激光器;1966年年 Sorokin:染料激光器;:染料激光器;6.198090年代:年代:锁模技术、超短激光脉冲(锁模技术、超短激光脉冲(ps、fs、as)。)。激光原理激光原理4.1962年:年:调调Q技术,纳秒(技术,纳秒(ns)脉冲;)脉冲;5/22/20243 3-Internal Use Only-Internal Use Only-受激辐射的发现5/22/20244 4-Internal Use Only-Internal Use Only-受激辐射光与物质相互作用的三个过程:吸收自发辐射受激辐射5/22/20
4、245 5-Internal Use Only-Internal Use Only-普朗克普朗克1900年,辐射量子化假设;年,辐射量子化假设;波尔波尔1913年,原子中电子运动状态的量子化假设;年,原子中电子运动状态的量子化假设;爱因斯坦爱因斯坦1917年,提出受激辐射概念。年,提出受激辐射概念。5/22/20246 6-Internal Use Only-Internal Use Only-自发辐射、受激辐射和吸收自发辐射、受激辐射和吸收不受外界扰动而自己发生的跃迁辐射不受外界扰动而自己发生的跃迁辐射。l机理:机理:辐射场(电磁场)的真空态各自由度辐射场(电磁场)的真空态各自由度作作零点振
5、动零点振动(能量为零点能)激发原子产生自(能量为零点能)激发原子产生自发辐射。发辐射。自发辐射的光是非相干光。自发辐射的光是非相干光。E2E1N2N1h 一一.自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)零点振动零点振动5/22/20247 7-Internal Use Only-Internal Use Only-自发辐射自发辐射的的严格处理需要严格处理需要 “量子电动量子电动力学力学”,把辐射场(电磁场)把辐射场(电磁场)“量子化量子化”光子。光子。量子力学虽然把原子作为一个量子体系对量子力学虽然把原子作为一个量子体系对待,但辐射场仍然用一个连续变化的经典电磁待,但辐射场
6、仍然用一个连续变化的经典电磁场来描述,场来描述,无法处理自发辐射。无法处理自发辐射。有趣的是,在量子力学和量子电动力学建有趣的是,在量子力学和量子电动力学建立之前,立之前,Einstein(1917)基于热力学和统计基于热力学和统计物理中物理中平衡概念平衡概念的考虑,回避了的考虑,回避了光子的产生光子的产生和湮没和湮没,巧妙地说明了原子的自发辐射现象。,巧妙地说明了原子的自发辐射现象。5/22/20248 8-Internal Use Only-Internal Use Only-设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内,单位体
7、积中单位时间内,从从E2 E1自发辐射的原子数:自发辐射的原子数:E2E1N2N1h Einstein 对自发辐射的处理:对自发辐射的处理:5/22/20249 9-Internal Use Only-Internal Use Only-写成等式写成等式 21 自发辐射系数自发辐射系数,单个原子在单位,单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。5/22/20241010-Internal Use Only-Internal Use Only-二受激辐射二受激辐射(stimu
8、lated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 (、)温度为温度为时时,频率在频率在 =(E2-E1)/h 附近,单位频率间隔内附近,单位频率间隔内的的外来光外来光的能量密度。的能量密度。h 5/22/20241111-Internal Use Only-Internal Use Only-单位体积中单位时间内,从单位体积中单位时间内,从E E 受激辐射的原子数:受激辐射的原子数:写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数5/22/20241212-Internal Use Only-Internal Use Only-W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在
9、单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21=B21 (、T)5/22/20241313-Internal Use Only-Internal Use Only-三三.吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收,使原子上述外来光也有可能被吸收,使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸单位体积中单位时间内因吸收外来光而从收外来光而从 E1E2 的原子数:的原子数:5/22/202414
10、14-Internal Use Only-Internal Use Only-写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。5/22/20241515-Internal Use Only-Internal Use Only-A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦借助于物体与辐射场间的平衡的爱因斯坦借助于物体与辐射场间的平衡的热力学关系,在热力学关系,在 1年得出年得出 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光
11、奠定了理论基础。初实验上获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B125/22/20241616-Internal Use Only-Internal Use Only-爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 (同一量子态占据的光子数目),在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为:单位时间内,的原子数数为:由于系统处于热平衡状态系统处于热平衡状态,则应有:即:补充
12、补充5/22/20241717-Internal Use Only-Internal Use Only-所以有:热平衡状态下,按波尔兹曼分布:即:补充补充5/22/20241818-Internal Use Only-Internal Use Only-热平衡条件下,光辐射的能量密度的普朗克公式为:比较两式有:上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同,则有:5/22/20241919-Internal Use Only-Internal Use Only-结论:结论:u 三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言,自发发射系数 A21 与受激发射系数 B 之比正比于 的三
13、次方,因而 两能级相差越大,就越高,A,B的比值就越大,也就是 越高自发辐射越容易,受激辐射越困难。一般在热平衡下,主要是自发辐射。5/22/20242020-Internal Use Only-Internal Use Only-产生激光的基本条件5/22/20242121-Internal Use Only-Internal Use Only-形成激光的三个条件形成激光的三个条件 产生激光必要条件产生激光必要条件1.实现粒子数反转实现粒子数反转.使原子被激发使原子被激发.可实现光放大可实现光放大 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔 激励方式激励方式 部分反射镜部分反射镜 激励能源激励能
14、源 全反射镜全反射镜 激光输出激光输出 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔L5/22/20242222-Internal Use Only-Internal Use Only-激光工作物质产生粒子数反转的物质基础5/22/20242424-Internal Use Only-Internal Use Only-粒子数反转粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射,而且它也能引起受激吸收,所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时,受激辐射跃迁才能超过受激吸收,而占优势。由此可见,为使光源发射激光,而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多,这种情况,称为粒子数反
15、转。但在热平衡条件下,原子几乎都处于最在热平衡条件下,原子几乎都处于最低能级(基态)低能级(基态)。因此,如何从技术上实现如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件粒子数反转则是产生激光的必要条件。5/22/20242525-Internal Use Only-Internal Use Only-工作物质、亚稳态工作物质、亚稳态 前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射,而粒子数反转又是产生激光的一个条件,激光的产生必须选择合适的工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在亚稳态能级
16、的存在对实现粒子数反转是非常必须的。5/22/20242626-Internal Use Only-Internal Use Only-激光物质是三能级或四能级结构。激光物质是三能级或四能级结构。如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级,处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3到E2的(亚稳态)概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31,也超过从E2回到E1的概率A21,则利用泵浦抽运使WW23或WW12时,E2和E1之间就可能形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E3寿命寿命10-3s5/22/20242727-Internal Use Only-
17、Internal Use Only-在外界激励下,基态E1的粒子大量地跃迁到E4,然后迅速转移到E3。E E3 3能级为能级为亚稳态亚稳态,寿命较长。,寿命较长。E E2 2能级寿命较短,能级寿命较短,因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在在E E3 3和和E E2 2之间可能实现粒子数反之间可能实现粒子数反转转。由于激光下能级不是基态,而是激发态E2,所以在室温下激光下能级的粒子数很少,因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。n1四能级系统E1E E2 2E3E4N2n3n4(快)(慢)寿命寿命10-3s5/22/20242828-Internal Use Only-Int
18、ernal Use Only-但是,要产生激光必须使原子激发,但是,要产生激光必须使原子激发,并要求并要求粒子数反转分布,粒子数反转分布,即即 N2 N1(population inversion)。原子激发的几种基本方式:原子激发的几种基本方式:1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)5/22/20242929-Internal Use Only-Internal Use Only-泵浦方式实现粒子数反转5/22/20243030-Internal Use Only-Internal Use Only-粒子数反转激光物质泵浦机制5/22/2024
19、3131-Internal Use Only-Internal Use Only-泵浦源泵浦源必须用外界能量外界能量来激励工作物质,建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置,称为泵浦源。它是形成激光的外因。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。从直接完成粒子数反转的方式来分,泵浦方式可分为:光激励方式,气体辉光放电或高频放电方式,直接注入电子方式,化学反应方式,还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。5/22/20243232-Internal Use Only-Internal Use Only-灯泵浦的激光器结构图5/22/20243333-Int
20、ernal Use Only-Internal Use Only-激光的种类灯泵固体激光器:Cr3+:Ruby、Nd3+:YAG气体放电:He-Ne、CO2、Ar+射频激励:CO2光泵:染料激光、fs激光电子注入:半导体激光器LDPSSL:Nd3+:YVO3光纤激光器:Er3+5/22/20243434-Internal Use Only-Internal Use Only-气体放电气体放电 He Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He-Ne 激光器中激光器中He是辅助物质,是辅助物质,Ne是是激活物质激活物质,He与与 Ne 之比为之比为51 1011。5/22/20243
21、535-Internal Use Only-Internal Use Only-染料染料激光器激光器 利用有机染料分子受到外界光泵的利用有机染料分子受到外界光泵的激励而产生激光。激励而产生激光。若丹明若丹明6G:570 610nm5/22/20243636-Internal Use Only-Internal Use Only-准分子激光器XeCl 308nmKeF 248nmArF 193nm5/22/20243737-Internal Use Only-Internal Use Only-LDPSSL半导体泵浦固体激光器5/22/20243838-Internal Use Only-Int
22、ernal Use Only-调调 Q(Q Switching):调节谐振腔的调节谐振腔的损耗,损耗,压缩脉宽,提高脉冲功率。压缩脉宽,提高脉冲功率。Q 是激光谐振腔的品质因子。是激光谐振腔的品质因子。+V V激光介质激光介质激光介质激光介质反射镜反射镜反射镜反射镜R R1 1反射镜反射镜反射镜反射镜R R2 2泵激泵激泵激泵激偏振器偏振器偏振器偏振器克尔盒克尔盒克尔盒克尔盒d d脉冲激光技术脉冲激光技术5/22/20243939-Internal Use Only-Internal Use Only-锁模锁模(Mode Locking)通过对多模激光束进行某种调制,强通过对多模激光束进行某种
23、调制,强迫各模式之间维持固定的频率间隔和相对迫各模式之间维持固定的频率间隔和相对相位,诸模相干叠加而得到超短序列脉冲。相位,诸模相干叠加而得到超短序列脉冲。交变电压的频率交变电压的频率 vm各纵模的频率间隔各纵模的频率间隔vvm=v形成激光振荡形成激光振荡5/22/20244040-Internal Use Only-Internal Use Only-光学谐振腔实现光放大选模5/22/20244141-Internal Use Only-Internal Use Only-光学谐振腔光学谐振腔 纵模与横模纵模与横模(optical harmonic oscillator)(longitudi
24、nal mode and transverse mode)激光器有两个反射镜,它们构成一个激光器有两个反射镜,它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光5/22/20244242-Internal Use Only-Internal Use Only-l激光器输出的每一个激光器输出的每一个谐振频率谐振频率成为一个成为一个纵模。纵模。l激光束横截面上光强的稳定激光束横截面上光强的稳定分布模式分布模式称为称为横模。横模。5/22/20244343-Internal Use Only-Internal Use Only-光学谐振腔的作用:光学谐
25、振腔的作用:1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性(沿轴线);(沿轴线);2.增强增强光放大光放大作用(延长了工作物质);作用(延长了工作物质);3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性(选频)。(选频)。阈值条件为阈值条件为对于可能有多种跃迁的情况,可以对于可能有多种跃迁的情况,可以利用阈值条件来选出一种跃迁。利用阈值条件来选出一种跃迁。选频之一:选频之一:5/22/20244444-Internal Use Only-Internal Use Only-可以通过控制可以通过控制1、2的大小实现:的大小实现:对对 0.6328 m 1、R2大大 Gm 小小(易满足阈值条件,
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