浅谈激光奥秘激光构成及产生的基本原理

《激光物理学》课程论文浅谈激光奥秘——激光构成及产生的基本原理学校：湖北第二师范学院院系：物理与电子信息学院专业班级：09级物理学姓名:黄凯琳学号：0950710041-1-目录内容摘要.................................................................................-2-关键词.....................................................................................-2-正文.....................................................................................-3-一、简介......................................................................................................-3-1.1激光简介...........................................................................................-3-1.2激光宏观特性简介...........................................................................-3-二、激光原理...................................................................................................-4-2.1激光产生的物质基础.......................................................................-4-2.2激光产生的基本原理.......................................................................-7-2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分................................-13-三、激光的分类.............................................................................................-15-参考文献...........................................................................................................-16--2-浅谈激光奥秘——激光构成及产生的基本原理09级物理学黄凯琳0950710041内容摘要：激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴学科。激光作为新型强相干光源的出现，引起了现代光学技术的巨大变革，是现代信息光学发展的三大事件之一。激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助，被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域，带动了许多新兴学科的发展。之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。激光的诞生是一种巧妙的设计，激光的产生综合考虑了各种问题，创造性地解决了物质自然状态下的很多难题。然而，它的构成思想又是朴素的，所选择的器件也是有针对性、有方向性的，它表现出来的宏观特性又是神奇和具有广泛用途的。本文将解开激光的神秘面纱——介绍激光的构成，阐述了激光工作原理和实现激光产生的种种必要条件，诸如粒子数反转条件、谐振腔稳定条件、振荡条件等，并说明了激光器件各部分的功能作用及四大宏观特性的产生原因。关键词：受激放大辐射粒子数反转谐振腔稳定条件振荡条件宏观特性分类-3-正文：一、简介1.1激光简介激光是在1960年正式问世的，但是，激光的历史却已有100多年，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“LightAmplificationbyStimuIatadEmissionofRadiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。1.2激光宏观特性简介激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。但是，激光的总能量并不一定很大，由于激光能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。方向性好——普通光源向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向-4-和测距就是利用方向性好这一特性。单色性好——普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。由于激光的单色性好，为精密仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。激光的以上四个特性使激光技术开始快速应用与科技、军事和社会发展的许多领域，激光技术彰显出其强大的生命力。二、激光原理2.1激光产生的物质基础光量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流，光子和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性和波动属性之间的关系如下：（1）光子能量E与光波频率对应E=h；（2）光子具有运动质量m，并可表示为22Ehmcc，光子的静止质量为零；（3）光子的动量P与单色平面波的波矢对应P=；（4）光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。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，-5-认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级1E和2E，处于两个能级的原子数密度分别为1n和2n，如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有21EEh。（Ⅰ）、自发辐射处于高能级2E的一个原子自发地向低能级1E跃迁，并发射一个能量为h的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。2E1E1E自发辐射光21hEE2E图2-2原子自发辐射1E2E图2-1二能级原子能级图-6-（Ⅱ）、受激辐射处于高能级2E的原子在满足21()EEh的辐射场作用下，跃迁至低能级1E并辐射出一个能量为h且与入射光子全同光子，如图2-3所示。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。（Ⅲ）、受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级1E的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为h的光子，并跃迁至高能级2E，这种过程称为受激吸收，如图2-4所示。受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不2E2E1E入射光21hEE1E原子吸收入射光子并跃迁至高能级图2-4原子受激吸收图2-3原子受激辐射受激辐射21hEE2E1E入射光21hEE1E入射光21hEE-7-相干的；受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，特别是大量粒子在同一辐射场激励下产生的受激辐射处于同一光场模式或同一光子态，因而受激辐射是相干的。2.2激光产生的基本原理2.2.1光学谐振腔及其选模和反馈作用由受激辐射和自发辐射相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。根据黑体辐射源的光子简并度关系式：11BhkTEnhe，在室温T=300K的情况下，对于=30cm的微波辐射，310n；对于60m的远红外辐射，1n；对于0.6m的可见光辐射，3510n。可见，普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。应用黑体辐射的普朗克公式和爱因斯坦系数的基本关系式11BhkTEnhe可改写为21213212138BWnhAAc，由此式可以看出，如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。由21213212138BWnhAAc可知，在同一热力学温度下，频率越小（波长越长）的光，光子简并度越大，相干性越好。要是光子简并度高进而相干性越好，需要波-8-长尽量长，温度尽量高。受激辐射和自发辐射分别产生相干和非相干光子，若能设法使某一模式的大大增加，而其他的则大大减少，则此特定模式的光子简并度n就会大大增加。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产生激光的目的。光腔选模作用——为了减少腔内光场模式数，将一个充满物质原子（或分子）的柱体腔（黑体）去掉侧壁，只保留两个端面壁，形成开腔。如果端面壁对光的反射系数很高，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光在腔内多次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。这相当于在腔内能够存在的光场模式只有少数几个，达到了光波模式的选择作用。光腔的反馈作用——光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，沿轴向传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔的反馈作用。2.2.2光的受激辐射放大条件实现光放大的两个条件：①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽-9-运到高能级去；②增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。在热平衡状态，腔内物质原子数按能级分布应服从波尔兹曼分布：212211BEEkTngeng，（g为能级简并度），可知，因21EE，所以21nn，即在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数，当频率21()/EEh的光通过物质时，受激吸收光子数112nW恒大于受激辐射光子数221nW。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。但是，在一定的条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是21nn，称其为粒子数反转。一般来说，当物质处于热平衡状态时，粒子数反转时不可能的，只有当外界向物质提供能量，从而使物质处于非平衡状态时，才可能实现粒子数反转。实现反转的手段有：激励或泵浦或抽运，由外界能源向粒子系统输入能量，使大量粒子跃迁到高能级。处于粒子数反转状态的物质称为激活物质，一段激活物质就是一个光放大器。光放大作用通常用增益系数G来描述，设在光传播方向上z处的光