第一讲-激光原理

参考书:《固体激光工程》（solid-statelaserengineering）W.克希耐尔著《超快激光》张志刚现代激光技术第一讲激光技术基础及其前沿1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是Laser（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation），它包含了激光产生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激光梅曼发表在《nature》原文重要的历史进程1917年爱因斯坦提出了受激辐射理论1958年肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微波激射器》1960年梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器与激光有关的诺贝尔奖1907年诺贝尔物理学奖——光学精密计量和光谱学研究1918年诺贝尔物理学奖——能量级的发现1922年诺贝尔物理学奖——原子结构和原子光谱1923年诺贝尔物理学奖——基本电荷和光电效应实验1929年诺贝尔物理学奖——电子的波动性1961年诺贝尔物理学奖——核子结构和穆斯堡尔效应1963年诺贝尔物理学奖——原子核理论和对称性原理以上的是激光技术的理论基础1964年诺贝尔物理学奖——微波激射器和激光器的发明1971年诺贝尔物理学奖——激光全息术的发明1981年诺贝尔物理学奖——激光光谱学与电子能谱学1997年诺贝尔物理学奖——激光冷却和陷俘原子2005年诺贝尔物理学奖——光频率梳2009年诺贝尔物理学奖——光纤通讯1、激光产生理论及基本概念1917年《按照量子论辐射的发射和吸收》，《关于辐射的量子理论》强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性。爱因斯坦受激辐射理论：一、激光的产生和性质入射光受激辐射光原子受激辐射示意图自发吸收：电子通过吸收光子从低能态跃迁到高能态(图a)。自发辐射：电子自发地通过释放光子从高能态跃迁到较低能态(图b)。受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能态跃迁到低能态，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和位相，此波长对应于两个能态的能量差。(图c)。吸收自发辐射受激辐射激光产生原理光谱线型函数与谱线加宽机制hEEf/120A.光谱线型函数g（f，f0）自发辐射频率为，但自发辐射谱线并不是一条理想的无限窄线，而是有一定的宽度，这种现象称为谱线加宽。它使自发辐射功率不是集中在一个光波频率上，而是分布在一个频带之内。1,/,00dfffgpfpffgdffpP1.自发辐射总功率2.归一化线型函数0)(g)('g)(gF)('g光谱线的线型函数及等效线型函数B.光谱线的加宽机制均匀：自然加宽、碰撞加宽（洛伦兹线型）非均匀：多普勒加宽（高斯线型）1.自然加宽:粒子在工作能级上的寿命越短，自然加宽也越严重。2.碰撞加宽：粒子做无规则热运动，粒子间发生了碰撞。22121AfN的作用更大ffffCN1，的吸收截面为描述。如图所示，原子来收作用可以用吸收截面原子对入射光功率的吸吸收截面1.1212nzIIIP入射光功率zAII吸收截面吸收系数)1.(..........P:,,1:1)AzIAIzAIdzdI功率的减少值为光的工作物质后厚度为光通过一个面积为定义为的单色光的工作物质对频率为的关系收系数吸收截面和工作物质吸吸收系数nzIIIn12121212112吸收截面吸收系数测量方法：］的量纲是［米吸收截面和吸收系数关系2.发射截面NGIdzdIGeIIGzo211小信号增益光放大关系发射截面IoI入射光功率zAIInnnnSAnWnSnWndtdnSASnWndtdn32121212212323211231313231313)()(1.三能级系统速率方程组(以红宝石激光器为例)原子能级系统：反映能级的粒子数变化以及光放大1331AS3132SA2121S1221四能级系统速率方程组(Nd:YAG,He-Ne激光器)四能级系统的激光工作物质的能级简图E110S0330AS3032SA2121S1221振荡速率方程组)()()()()()()(2111223210033300101021212211122323212122123232112033233003RlllllNvNnggndtdNnnnnnAnWnSndtdnSAnvNnggnSnSAnWnSnWndtdnASnWndtdn四能级系统的速率方程组高方向性2、激光的特性高亮度高相干性单色性α光束发散角=2α探照灯：35毫弧度≈1度HeNe激光：0.3毫弧度sr激光的高方向性激光的高强度和高亮度一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）强激光甚至可产生上亿度的高温。激光打孔、切割等机械加工相干性强时间相干性同一光源不同时间发出的光波的相干性,纵向相干性Δτ=L/c;L=λ2/Δλ;空间相干性同一光源不同空间点发出的光波的相干性，横向相干性二、激光器激光器的发明激光器的结构激光器的种类1、激光器的发明1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25厘米的氨分子振荡器——受激辐射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）肖洛提出创造性设想——光腔代替微波共振腔梅曼成功研制出第一台红宝石激光器（1960年7月7日）向各个方向自发辐射的光子沿中心轴方向的辐射被受激放大光在工作物质中反复传播被放大激光器的组成：工作物质泵辅源光谐振腔工作物质聚光腔+M光谐振腔MM肖洛提出——光腔代替微波共振腔1960年7月7日：梅曼成功研制出第一台红宝石激光器输出激光闪光灯反射镜1红宝石介质反射镜22、激光器的结构一台激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔组成工作物质：工作物质具有一定的能级结构，用来实现粒子数反转。不同的激光器工作物质不同。泵浦源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。谐振腔光学谐振腔结构：在工作物质的两端安置两面互相平行的反射镜，其中一面是全反射镜，另一面是部分反射镜，这两面反射镜及它们之间的空间称为光学谐振腔。光学谐振腔其作用：（1）产生和维持光振荡（2）确定激光方向（3）选频（4）选偏振光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡2kkL激光的纵模和横模一、纵模（振荡频率）k=1,2,3,…全反射镜部分反射镜nLckckk212kkkcnLkN振荡纵模纵模间隔辐射线宽内的纵模个数为vkvk+1vkN个纵模单模线宽辐射线宽vckLk2波长为辐射线宽(1)使激光按单模输出，则其单色性由单模线宽决定。讨论(2)若输出光是多模的，其单色性和普通光源一样由辐射线宽决定。条件频率(MHz)T=300KP=1~2mmHg辐射线宽1300腔长L=100cm纵模间隔150L=100cm反射率98%单模线宽1氦氖激光器参数N个纵模vc二、横模(光束横截面上的光强的稳定分布)激光束横截面上几种光斑图形TEM02TEM14高斯光束及M2因子高斯光束特点：光强横截面呈高斯分布，波前是球面，球心位置变化)())(2exp)(exp)(),(2220zkzzRkrizWrzWAzrE衡量光束质量：M2因子2,00002M3、激光器的种类激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长输出频率特性工作物质-各种激光晶体和玻璃一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。固体激光器中常用的钇铝石榴石激光器，它的工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕。激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的红外光，可以连续工作，也可以脉冲方式工作。由于这种激光器输出功率比较大，不仅在军事上有用，也可广泛用于工业上。此外，钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器，对治疗白内障和青光眼十分有效。（1）固体激光器常用固体激光器工作波段•1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等（Nd:YAG)•1540nm~2940nm:医学和通信(Tm:YAG,Er:YAG)•近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器(Ti:Sapphire,670nm~1100nm)•固体激光器常用于产生强激光，连续输出~几千瓦(Nd:YAG),脉冲输出~几万焦耳(Nd:glass)在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。(2)掺铒光纤激光器体积小（只有火柴盒大小）、重量轻、寿命长、结构简单，是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.8～0.9微米之间。只要通以适当强度的电流就有激光射出，再加上输出波长在红外线光范围内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰、坦克、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒还小。用于：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等方面。(3)半导体激光器(4)气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。气体激光器分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点—发光都在紫外波段。用途—多用于微细加工，光刻及医学。原理—不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。(5)液体激光器主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点：从红外到紫外范围调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。（1）X射线激光器X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区，X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。其它新型激光器（2）生物微腔激光器砷化镓基底半导体反射镜量子阱增益区液体中的细胞介质膜反射镜玻璃基底一种研究活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖镀有反射膜的玻璃片。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状，模式，空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器一般用波长850纳米的半导体激光器来制作。(3)纳米激光器问世据2001年