激光原理及应用-上海理工大学

激光原理及应用主讲老师：郭津博天津工业大学1学习目的与具体要求目的：掌握激光原理和激光技术有关知识，学习理论结合实际应用高技术的某些方法。独立完成课后作业、闭卷考查。平时成绩30%，考试成绩70%。（可调整）2普通光源普通光源是光的自发辐射。特点：多波长、任意方向、不相干。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内.3激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（Laser）。激光是光的受激辐射。激光的特点：单色性好,方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内.4激光辐射跃迁：受激吸收；自发辐射；受激辐射5激光粒子数反转激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射！6激光技术发展简史之一理论基础：爱因斯坦的光子学说(1905)；波粒二象性(1909)辐射理论(1917)：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射放大。Einstein7激光技术发展简史之一理论基础：R.C.Tolman指出：具有粒子数反转的介质具有光学增益（产生激光的基本条件之一）（1924）。Tolman8激光技术发展简史之一实验基础：Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov9激光技术发展简史之一1958年Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。Schawlow10激光技术发展简史之一美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。Maiman11激光技术发展简史之一Maiman的第一台激光器12中国第一台激光器（1961）13激光技术发展简史之二各种激光器的开发:工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，X射线输出功率：大功率，低功率工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向14我国激光器研究情况激光器的第一台研制成功时间研制人红宝石激光器（我国第一台)1961年11月邓锡铭、王之江He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王润文等15激光技术发展简史之三激光应用技术信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等16光盘存储器原理—激光刻蚀与读出17偏振光显微镜18激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）19激光控制核聚变20天文台（激光导航星）来自纳层的反射光（高度约100km)最大高度约35km来自空气分子的Rayleigh光21激光测距与激光雷达22激光切割23长度测量24生物和医学应用25激光技术涉及的学科物理（光学）精密加工（光学谐振腔的制作）光学加工（光学镀膜、光学装调）电子技术（激光电源、控制电路）应用技术基础（数学方法、误差理论）26第一章辐射理论概要与激光产生条件§1.1光波、光子——光的波粒二象性§1.2原子能级和辐射跃迁§1.3受激辐射§1.4光谱线增宽§1.5激光形成条件27光的波粒二象性波动性：传播过程具有频率、波长、偏振粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运动质量光波是电磁波振动的电场；振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量l28光的波粒二象性光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振方向有时随时间变化(2)自然光z传播方向Ex(1)线偏振光ExyEy29光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速882.99810/310/cmsms(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数T1(4)三者的关系在真空中l0c各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同)(0lllυcυ30折射率始终大于1？自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率近似等于1；负折射率材料：当介电常数0，磁导率0时，折射率n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）用复负折射率材料做增益介质？31单色平面波(1)平面波波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透镜形成的光束可以看成平面波(2)单色平面波：具有单一频率的平面波准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如称为准单色波。32单色平面波理想的单色平面波单色平面波的复数表示0expexp()UUitkzUit复振幅:代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布U~ikzUUexp~0光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即2UI2)(cos112021120222UdtkztUTdtUTITTTT单色平面波的表示---行波方程0022coscosztzUUtUcTppl单色平面波的表示---行波方程0022coscosztzUUtUcTppl33球面波波阵面为一系列同心圆的波是球面波球面简谐波方程：0cosUrUtrc球面波的复数表示法：0itkrUUer34光子在真空中一个光子的能量h光子的动量0000222hhhhPmcnnnnkcplplp式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。光子的具有运动质量222hmhmccc光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。351.2原子能级和辐射跃迁为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复习原子能级的概念；为了知道在不同的能级上原子的数量，需要了解简并度的概念。36原子的能级物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。+e-e-e原子核电子角动量L=r×p37主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数l,l=0,1,2,…,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用s,p,d,f字母表示;磁量子数m=0，±1，±2，…±l.决定轨道角动量在外磁场方向的分量;自旋量子数ms=±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;原子的能级原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：38原子的能级电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示；基态：原子处于最低的能级状态；激发态：能量高于基态的其它能级状态；E0基态E1E2En激发态39简并能级、简并度简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。氢原子1s,2p态的简并度原子状态nlms简并度1s100±1/222p2110-1±1/2±1/2±1/261nsssPPd2n3n40原子的电子组态根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数n表示，称K、L、M…层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,…分别表示l=0,1,2,…；壳层KLMNn1234子壳层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4fl0010120123容纳电子数226261026101441原子的电子组态泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数；电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数n和l的竞争；只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。42波尔兹曼分布现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kTEiiiegn式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度；ni表示处在Ei能级的原子数分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系kTEEnnmmnmegngn)(热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数43辐射跃迁和非辐射跃迁高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。发射吸收12EEh21EEh低能级高能级::12EE，441.3光的受激辐射45黑体辐射绝对黑体又称黑体：对投射到该物面上的各种波长的能量100％地吸收。不存在绝对黑体。空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体。平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变46辐射能量密度公式辐射场用单色辐射能量密度r来描述；单色辐射能量密度r定义：辐射场中单位体积内，频率在附近的单位频率间隔中的辐射能量。dvddVr在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中r与温度T及频率的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式11833kThechpr式中k为波尔兹曼常数。总辐射能量密度:rrd047黑体辐射曲线不同温度下黑体辐射的单色能量密度对频率的曲线1000K2000K3000K4000K012345r1014Hz48光与物质的作用任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之间的跃迁过程光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激吸收这三种过程总是同时存在，紧密联系。49自发辐射自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为的光子自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程12EEh图（1-6）自发辐射50自发辐射跃迁速率与自发辐射系数对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率式中n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度减少。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数，它是粒子能级系统的特征参量。2212ddnAnt51辐射过程中E2能级粒子数变化规律由上述定义爱因斯坦自发辐射系数可表示为物理意义是：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。解该方程得式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度22121dnAndttAentn21202)(52自发辐射时E2能级上粒子的平均寿命t时刻的单位时间内跃迁的粒子在高能级（E2）上已经停留的时间总和，即寿命的和所有在高能级（E2）上的