激光原理与应用

•什么是激光？•LASER：–LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation•激光：–受激辐射光放大激光原理一光源的分类激光非线性光学器件非相干光源包括：（按原理分类）①热辐射源太阳、黑体、白炽灯。②气体放电光源汞灯、氙灯、空心阴极灯、氘灯。③固体发光光源场致发光光源、发光二极管、分光光度计光源。相干光源包括：①激光气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。②非线性光学器件主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。•一、太阳–直径为1.392×109m的光球。它到地球的年平均距离是1.496×1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533°。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。其平均辐亮度为2.01×107Wm-2sr-1热辐射源•二、卤钨灯灯泡內充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在一定温度下可以形成卤钨循环，即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，而该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成卤素和钨。这样，钨就重新沉积在灯丝上，而卤素被扩散到温度较低的泡壁区域再继续与钨化合。这一过程为钨的再生循环。特点：色温3000K左右；光谱范围宽，但红外光谱部分能量过高。卤钨灯G气体放电光源–图2-8是常用气体放电灯的外形图。表2-2列出了常用的气体放电灯的种类、性能以及它们的主要应用领域。–气体放电灯的基本结构是相似的.–原理:受激电子的自发辐射.•一、汞灯–1.低压汞灯汞灯在低压放电时主要辐射二条共振辐射线：253.7nm和185.0nm。所谓共振辐射线是指从激发态跃迁到基态时发出的辐射。当汞蒸气压为0.8Pa（6×10-3mmHg)，玻璃壳温度40℃时，253.7nm的辐射效率最大，约占输入电功率的60%，而可见光只占2%。它的光谱分布如图2-9⒜所示。可见光波长：400~760nm–2.高压汞灯•当汞灯內的蒸气压达到1∼5大气压时，汞灯电弧的辐射光谱就会产生明显变化，光谱线加宽，出现弱的连续光谱，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加，其光谱分布如图2-9⒝所示。TiO2在紫外光催化上的应用点燃时，灯內汞蒸气压达到1∼20MPa（约10∼200个大气压），这样灯的辐射光谱与高压汞灯相比有明显的不同：紫外辐射减少，可见辐射光谱线较宽，连续部分增加，并且红外光谱辐射增强。3.球形超高压汞灯4、钠灯•5、氙灯–氙灯是由充有惰性气体氙的石英泡壳內两个钨电极之间的高温电弧放电，从而发出强光。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近（如图2-10），色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有「小太阳」之称。辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该辐射源有色温。某光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。6、金属卤化物灯•7、空心阴极灯–空心阴极灯属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。该灯的阴极由金属元素或其它合金制成空心圆柱形，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。是原子吸收分光光度计必不可少的光源，用于对微量金属元素吸收光谱作分析，以及光谱仪器波长定标。8、氘灯氘灯是一种热阴极弧光放电灯，泡壳內充有高纯度的氘气。氘是氢的同位素，又叫重氢。工作時先加热灯丝，产生电子发射，当阴极加高压后，氘原子在灯內受高速电子的碰撞而激发，从阴极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱（185∼500nm）。–氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长，因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。1激光的发展与现状•什么是激光？•LASER：–LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation•激光：–受激辐射光放大•死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》•镭射：LASER的音译1.4.2激光原理–1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；–1947年，兰姆(Lamb)雷瑟福(Reherford)在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；–1950年，卡斯特勒(Kastler)提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrumforthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms–1951年,汤斯(Townes)提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。–1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple•突破–1958年肖洛(Schawlow)和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。–1960年5月，休斯实验室的梅曼(Maiman)研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。–1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；–1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；–1962年，GaAs半导体激光器；–1963年，液体激光器；–1964年，CO2激光器；–1964年，离子激光器；–1964年，Nd：YAG固体激光器；–1965年，HCl化学激光器；–1966年，生物染料激光器；–从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪.激光发展的现状•发展–更大•为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。•现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W）。–更小•各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；激光发展的现状激光发展的现状–更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。激光发展的现状–更快•更高的调制频率：GHz；•更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；–更多样化•多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；•多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；1、光子的基本性质一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、光子的能量：2chmh2、光子的质量：3、光子的动量：000nλhnchυnmcPˆˆˆ4、光子有两个独立的偏振态。1.4激光原理02;2;nkhkp5、光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量光子的集合服从玻色——爱因斯坦分布。处于同一状态的光子数目没有限制，这是光子与其他服从费米统计分布的粒子的重要区别。二、光的粒子性和波动性的统一：利用量子电动力学的理论，将电磁场量子化。1、电磁场的本征模式：具有基元能量和基元动量的物质单元即属于同一本征模式的光子。lklh2、具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分，应属于同一模式（或状态）。3、处于同一模式或同一壮态的内的光子数目是没有限制的。4、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的线性叠加。三、光波模式——从波动性来讨论1、单色平面波表示为：2、自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在!3、受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！k)(0),(rktieEtrE)(2cos1xTtAy2光波模式与光子相格在有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立存在的、具有特定波矢k的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光波模式。考虑如图所示的金属空腔，任何能够存在的驻波应该满足以下条件：由波矢的表达式可以得到波矢的三个分量：如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的模式，每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求出在该空间中一个模式占据的体积为：2,2,2lznymxnk2lzknykmxkzyx,,yzxxyzxkzkykx/x/2z/2z/y/2y/Vzyxkkkzyx33其中m、n、l为正整数4、光波模式：能存在于腔内的以波矢为标志的电磁波模式。不同模式以区分，同一又由于对应两个独立的偏振态，则同一波矢对应两个不同偏振方向的光波模式。kkkk波矢在范围内的波矢空间体积为：则在该空间内所包含的光波模式数为：由波矢的定义有：可以得到在体积为V的腔内，频率附近间隔内的模式数P为：因此单位体积内，频率附近，单位频率间隔的模式数为：kdkk,kdk2481VkdkP32/4812dckdck2;22d238PVdc328cn1、经典力学中粒子运动状态的描述用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐标（x,y,z,px,py,pz）精确描述！2、光子运动状态的描述受测不准关系的限制，其坐标和动量不能同时准确测定！（1）一维运动时：在的二维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。hPxx四、光子态——从粒子性来讨论在频率很高的光频波段,由于λL,空腔中模密度很大，因而Laser的制成面临更大的挑战。（3）三维运动时：在的六维相空间体积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。3hPzPyPxzyx（4）相格：一个光子状态对应的相空间体积元，是用任何实验所能分辨的最小尺度。说明：光子的运动状态只能定义在相格中，但不能确定它在该相格中的精确位置！在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：由于腔内稳定存在的光波模都是由两列相向传播的行波构成的，因此每个模式的动量可以写成：将以上结果代入(1)式，可得到：33(1)xyzkkkxyzV33338xyzxyzxyzPPPPPPkkkhxyz3hPPPzyxzyxzzyyxxkhPkhPkhP22,22,22（5）相空间体积元大小：（6）相格空间体积：一个相格所占的坐标空间体积。3hPzPyPxzyxzyxPPPhzyx3五、光波模式与光子状态的关系：等效。一个光波模即是一个光子态，在波矢空间中占据一个体积一个光子态在六维相空间中占据一个相格一个相格或一个光子态内的光子不可区分。V3zyxπΔkΔkΔk3hPzPyPxzyx2、光子的相干性和光子简并度一、光的相干性的分类（1）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。描述时间相干性的等效物理量：①相干时间：c②相干长度：cL③谱线宽度：