激光的基本原理及其特性讲课稿.ppt
激光的基本原理及其特性参考书目参考书目 俞宽新等编著，俞宽新等编著，激光原理与技术激光原理与技术北京工业大学出版社北京工业大学出版社 周炳琨等编著，周炳琨等编著，激光原理激光原理 国防工业出版社国防工业出版社 陈玉清等编著，陈玉清等编著，激光原理激光原理 高等教育出版社高等教育出版社 李相银等编著，李相银等编著，激光原理技术及应用激光原理技术及应用 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社教学组织方式与学时分配教学组织方式与学时分配利用多媒体授课利用多媒体授课 教学内容教学内容 课时课时第一章第一章1212第二章第二章8 8第三章第三章7 7第四章第四章4 4第六章第六章8 8第七章第七章6 6总计总计4545考核方式考核方式n考试考试平时平时(出勤出勤+作业作业+平时表现平时表现)20%)20%实验实验 30%30%期末考试期末考试 50%50%第第1 1章章 激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性1.1 1.1 激光的特性激光的特性1.2 1.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件1.3 1.3 激光产生的充分条件激光产生的充分条件1.4 1.4 谱线加宽谱线加宽1.5 1.5 谱线加宽下的增益系数谱线加宽下的增益系数1.6 1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程1.7 1.7 连续与脉冲工作连续与脉冲工作1.8 1.8 粒子数反转分布条件粒子数反转分布条件1.9 1.9 激光放大的阈值条件激光放大的阈值条件1.10 1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引1.11 1.11 激光器的输出特性激光器的输出特性1.12 1.12 激光器的泵浦技术激光器的泵浦技术1.1 1.1 激光的特性激光的特性单色性单色性方向性方向性相干性相干性高亮度高亮度单色性和时间相干性单色性和时间相干性n光源单色性的量度光源单色性的量度:频带宽度频带宽度时间相干性：光源中同一辐射源在不同时时间相干性：光源中同一辐射源在不同时间辐射出的光束之间的相干性间辐射出的光束之间的相干性光波的相干时间光波的相干时间:谱线宽度越窄谱线宽度越窄,或单色性越好或单色性越好,相干时间越长相干时间越长,即时即时间相干性越好间相干性越好.普通光源普通光源:谱线宽度谱线宽度10101414HzHz的量级的量级单模稳频气体激光器：单模稳频气体激光器：10 10HzHz以上的量级以上的量级方向性与空间相干性方向性与空间相干性n方向性方向性普通光源普通光源:4:4激光激光:毫弧度毫弧度n空间相干性空间相干性 发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.相干面积相干面积相干长度相干长度相干体积相干体积高亮度高亮度定义定义:光源在单位面积上光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射向某一方向的单位立体角内发射的光功率的光功率.截面为截面为A A的光源单色亮度的光源单色亮度一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达其亮度可达10101818 W/cmW/cm2 2.sr,.sr,它比太阳表面的亮度它比太阳表面的亮度2*102*103 3 W/cm W/cm2 2.sr.sr要高要高1515个数个数量级量级1.2 1.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件n1.2.1 1.2.1 二能级系统的三种跃迁二能级系统的三种跃迁一、自发辐射一、自发辐射二、受激跃迁二、受激跃迁三、三、EinsteinEinstein辐射系数之间的关系辐射系数之间的关系一一.自发辐射自发辐射表1.1蓝宝石二二.受激跃迁受激跃迁n(一一)受激吸收受激吸收n(二二)受激辐射受激辐射三三.Einstein.Einstein辐射系数之间的关系辐射系数之间的关系当三种过程都存在时当三种过程都存在时,总变化率为总变化率为 简并度1.2.2 1.2.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增量与单个光子能量的乘积量与单个光子能量的乘积辐射放大辐射放大产生激光的必要条件：产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态工作物质处于粒子数反转分布状态增益介质：增益介质：1.3 激光产生的充分条件激光产生的充分条件1.3.1.饱和光强的概念饱和光强的概念饱和光强饱和光强饱和长度饱和长度1.3.2 饱和光强的简单计算饱和光强的简单计算当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为稳态时稳态时小信号情况小信号情况随光强的增长，随光强的增长，u减小，减小，使使u减小为小信号值的时的光强为饱和光强减小为小信号值的时的光强为饱和光强其中其中受激辐射截面1.3.3 产生激光的充分条件产生激光的充分条件如果在增益介质的有效长度内光强可以从如果在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到微小信号增长到，则对激光来说是充分，则对激光来说是充分的的求有效长度求有效长度园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布设光辐射起源于介质一端长度为设光辐射起源于介质一端长度为l的区域的区域单位时间内由自发发射产生的总辐射能单位时间内由自发发射产生的总辐射能令光强经介质放大后达到饱和光强令光强经介质放大后达到饱和光强设设光强等于单位截面的能量例例1.1已知某激光工作物质增益系数为已知某激光工作物质增益系数为100m-1，长度，长度0.08m求满足产生激求满足产生激光充分条件的光充分条件的da.例已知例已知d:YAG激光材料增益系数激光材料增益系数10m-1，设材料长度，设材料长度0.5m，直径，直径da=0.1m,试问小信号单次通过该介质光强试问小信号单次通过该介质光强能否达到饱和？能否达到饱和？微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和1.4 谱线加宽谱线加宽原子系统能级的弥散原子系统能级的弥散1.4.1概述概述海森堡测不准关系海森堡测不准关系相干辐射的中心频率为相干辐射的中心频率为上下边频分别为上下边频分别为谱线宽度为谱线宽度为谱线加宽特性的描述：线形函数谱线加宽特性的描述：线形函数定义定义线形函数是归一化的线形函数是归一化的求和表示可以有多种自发辐射分类分类1.均匀加宽均匀加宽2.非均匀加宽非均匀加宽1.4.2均匀加宽均匀加宽1.自然加宽自然加宽由测不准关系决定谱线加宽由测不准关系决定谱线加宽线形函数线形函数自然宽度自然宽度2.碰撞加宽碰撞加宽当原子密度足够高时当原子密度足够高时,原子之间的碰撞引起原子之间的碰撞引起的谱线加宽的谱线加宽加宽加宽加宽：的速率干扰辐射原子的相加宽：的速率干扰辐射原子的相位位均匀加宽均匀加宽特点：对同类原子中的每个个体都是相同的特点：对同类原子中的每个个体都是相同的考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为大多数固体激光跃迁的谱线加宽大多数固体激光跃迁的谱线加宽气体激光的碰撞加宽气体激光的碰撞加宽比例系数比例系数 与原子间的碰撞截面，温度等有与原子间的碰撞截面，温度等有关关1.4.3.非均匀加宽非均匀加宽特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献献分类：多谱勒加宽和非晶态加宽分类：多谱勒加宽和非晶态加宽一、一、oppler 加宽加宽（气体工作物质）（气体工作物质）设有静止时辐射频率为设有静止时辐射频率为 的原子的原子(光源光源)以速度以速度v 朝向或背朝向或背离观察者离观察者(接收器接收器)运动运动,则被探测到的频率分别为则被探测到的频率分别为对气体原子对气体原子,平均速度平均速度的取值范围在的取值范围在102103m/s要求谱线宽度值要求谱线宽度值 代入代入Maxwell速度公式速度公式原子的发光强度与发光原子数成正比原子的发光强度与发光原子数成正比当时，上式有极大值当时，上式有极大值高斯分布而有例求氖原子辐射例求氖原子辐射nm光谱光谱线的多谱勒宽度线的多谱勒宽度?（T=300K）二、非晶态加宽二、非晶态加宽u非晶态材料非晶态材料,是由分子的奖状混合物凝结在固体中是由分子的奖状混合物凝结在固体中形成的形成的,导致一些小的区域中的分子有稍微不同的导致一些小的区域中的分子有稍微不同的取向取向.u应力不同应力不同,每个粒子的能级略有不同每个粒子的能级略有不同u材料的不同部分辐射频率也不同材料的不同部分辐射频率也不同.u总的发射线宽具有高斯线性总的发射线宽具有高斯线性.n综合加宽综合加宽1.5 谱线加宽下的增益系数谱线加宽下的增益系数线型函数线型函数g(v)定定义为辐射光射光强中中频率率处于于v领域域单位位频率率间隔的光隔的光强与与总光光强之比也可理解之比也可理解为跃迁几率按迁几率按频率的率的分布函数分布函数从而从而爱因斯坦系数因斯坦系数为自发跃迁引起自发跃迁引起u变化的速率变化的速率即谱线加宽对其没有影响即谱线加宽对其没有影响受激辐射引起受激辐射引起u变化的速率变化的速率增益系数（考虑谱线加宽）增益系数（考虑谱线加宽）均匀加宽均匀加宽多谱勒加宽多谱勒加宽其中其中于是得于是得在处取最大值在处取最大值1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程速率方程：能级粒子数密度随时间变化的微分方程速率方程：能级粒子数密度随时间变化的微分方程1.速率方程的建立速率方程的建立1.6.2速率方程的稳态解速率方程的稳态解在小信号条件下得在小信号条件下得小信号下下能级粒子数密度小信号下下能级粒子数密度两个方程直接相加得两个方程直接相加得下能级粒子数密度不随光强而变下能级粒子数密度不随光强而变能级能级u的的 寿命寿命有有1.6.3反转粒子数及增益饱和反转粒子数及增益饱和其中当饱和时反转粒子数密度下降到小信号时的一半饱和时反转粒子数密度下降到小信号时的一半因因式中小信号增益系数式中小信号增益系数当当即饱和条件下的增益系数为小信号时的一半即饱和条件下的增益系数为小信号时的一半1.7 连续与脉冲工作连续与脉冲工作两种基本工作状态两种基本工作状态:连续和脉冲工作连续和脉冲工作1.7.1.固体三能级系统速率方程组固体三能级系统速率方程组根据玻尔兹曼定律根据玻尔兹曼定律设波长设波长在室温（）条件下在室温（）条件下通常有通常有各能级粒子数随时间变化的方程各能级粒子数随时间变化的方程假定腔内只存在一个模假定腔内只存在一个模,其光子寿命为其光子寿命为 ,则光子数密度则光子数密度的增长速率为的增长速率为将激发速率用发射将激发速率用发射/吸收截面及介质的光速来表示吸收截面及介质的光速来表示从而得从而得量子效率其中其中为粒子由为粒子由 能级向能级向 能级转移的量子效率能级转移的量子效率为能级为能级 上粒子的寿命上粒子的寿命1.7.2 速率方程的解速率方程的解激光器的工作方式主要由外抽运速率激光器的工作方式主要由外抽运速率 的时间行为的时间行为决定决定.输出连续激光输出连续激光 输出脉冲激光输出脉冲激光速率方程的解由速率方程的解由 时间行为决定时间行为决定令令对典型的三能级系统对典型的三能级系统,近似为空能级近似为空能级,于是于是假定激光器工作在阈值附近假定激光器工作在阈值附近,则受激辐射很弱则受激辐射很弱一阶非齐次常微分方程一阶非齐次常微分方程,相应的齐次方程的解为相应的齐次方程的解为用常数变易法求出用常数变易法求出C终得终得在在 以后的时间里以后的时间里,的速率方程为的速率方程为解为解为1.7.3激光器的工作状态激光器的工作状态激光上能级粒子数随时间的变化规律激光上能级粒子数随时间的变化规律对激光脉冲和连续工作状态均适用对激光脉冲和连续工作状态均适用一一.短脉冲运转短脉冲运转 整个抽运时间内整个抽运时间内短脉冲运转指短脉冲运转指如果外抽运以一定周期重复施于激光器如果外抽运以一定周期重复施于激光器,则则将以相同周期变化将以相同周期变化二二.长脉冲和连续运转长脉冲和连续运转如果外抽运持续时间如果外抽运持续时间 ,则当则当t增长到某一足够大增长到某一足够大的值的值t1,以至时以至时1.8 粒子数反转分布条件粒子数反转分布条件1.稳态工作情稳态工作情况况由此解得由此解得对大多数固体三能级对大多数固体三能级材料材料,得得实现粒子数反转的条件为实现粒子数反转的条件为 或或2.瞬态工作情况瞬态工作情况假定假定粒子数反转随时间变化粒子数反转随时间变化近似为空能级近似为空能级1.9 激光放大的阈值条件激光放大的阈值条件1.阈值增益系数和粒子数阈值增益系数和粒子数谐振腔的总损耗率为谐振腔的总损耗率为阈值附近腔内光强很弱，可视为小信号，阈值附近腔内光强很弱，可视为小信号，则有则有激光在腔内放大的阈值条件激光在腔内放大的阈值条件阈值反转粒子数密度阈值反转粒子数密度能级的阈值粒子数密度能级的阈值粒子数密度一般来说一般来说所以有所以有连续连续/长脉冲光泵阈值功率长脉冲光泵阈值功率连续长脉冲工作状态连续长脉冲工作状态时，时，达到稳态值达到稳态值稳态值稳态值由此得由此得稳态时的光泵功率稳态时的光泵功率短脉冲工作短脉冲工作短脉冲条件下，通常有短脉冲条件下，通常有而而在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于非稳态，各能级在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于非稳态，各能级的粒子数始终随时间变化工作物质在每个脉冲内吸收光泵能量为：的粒子数始终随时间变化工作物质在每个脉冲内吸收光泵能量为：光泵阈值能量为光泵阈值能量为由由1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引1.10.1.均匀加宽激光器的模竞争均匀加宽激光器的模竞争当某一频率的光强增长时当某一频率的光强增长时,整个谱线均匀下整个谱线均匀下降降,直到稳定工作状态直到稳定工作状态光强为光强为I1和和I2,频率是频率是 增益系数分增益系数分别为别为小信号增益满足小信号增益满足直至下降到曲线直至下降到曲线A的位置时的位置时,有有当增益曲线下降到曲线当增益曲线下降到曲线B的位置时的位置时1.10.2 频率牵引频率牵引在无源腔中，第在无源腔中，第q个纵模的频率为个纵模的频率为折射率为与频率无关的常数折射率为与频率无关的常数在有源腔中在有源腔中第第q个纵模的频率变为个纵模的频率变为相对有一个偏移相对有一个偏移对均匀加宽工作物质对均匀加宽工作物质稳定条件下稳定条件下频率偏移频率偏移其中其中考虑考虑（牵引常量）（牵引常量）无源腔线宽无源腔线宽当当有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率更接近工作物质的中心频率此现象称频率牵引此现象称频率牵引1.11 激光器的输出特性激光器的输出特性1.11.1均匀加宽连续激光器的输出功率均匀加宽连续激光器的输出功率设腔内有一频率为设腔内有一频率为的模式起振，起初，的模式起振，起初，腔内光强逐渐增长由于饱和效应，增益随腔内光强逐渐增长由于饱和效应，增益随的的增长而下降但只要增长而下降但只要就会继续增就会继续增长，继续下降，直到长，继续下降，直到对于均匀加宽激光器，当模频率对于均匀加宽激光器，当模频率为简单略去为简单略去或或设激光束的有效横截面积为，则输出功率可写成设激光束的有效横截面积为，则输出功率可写成在增益不大的条件下在增益不大的条件下输出功率输出功率输出功率与小信号增益系数及工作物质的输出功率与小信号增益系数及工作物质的长度成正比，且随损耗的减小而增大长度成正比，且随损耗的减小而增大与的关系复杂与的关系复杂存在最佳透过率，利用求得存在最佳透过率，利用求得当输出镜的透过率取时，激光器的输出功率为当输出镜的透过率取时，激光器的输出功率为1.11.2脉冲激光器的输出能量脉冲激光器的输出能量在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为，则有个粒子从基态跃迁到则有个粒子从基态跃迁到能级，其中个能级，其中个粒子很快通过无辐射跃迁驰豫到能级粒子很快通过无辐射跃迁驰豫到能级，如果满足，如果满足对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为腔内激光能量为腔内激光能量为输出能量为输出能量为1.12 激光器的泵浦技术激光器的泵浦技术u分类分类1.实现步骤实现步骤 直接泵谱直接泵谱 间接泵谱间接泵谱2.泵谱源泵谱源 光泵谱光泵谱 粒子泵谱粒子泵谱 化学反应泵谱化学反应泵谱 核泵谱核泵谱1.直接泵谱直接泵谱泵谱速率泵谱速率光泵谱光泵谱粒子泵谱粒子泵谱是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质中处于能级是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质中处于能级粒子碰撞，导致工作物质跃迁到能级粒子碰撞，导致工作物质跃迁到能级的几率的几率等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面的乘积等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面的乘积如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则优点优点:简单简单缺点缺点:1.难以产生足够的增益难以产生足够的增益B13（对光泵谱（对光泵谱)或或13(对对粒子粒子泵谱泵谱)太小太小2.难以形成粒子数反转分布难以形成粒子数反转分布2.间接泵谱间接泵谱 优点优点:中间能级具有远大于激光上能级的寿命中间能级具有远大于激光上能级的寿命,且且可以是能级形成的能带可以是能级形成的能带;有些情况下有些情况下,将粒子从基态激发到中间态的将粒子从基态激发到中间态的几率大于激发到上能级的几率几率大于激发到上能级的几率,降低泵谱的降低泵谱的要求要求按选择定律按选择定律,可以使中间态向上能级的驰豫可以使中间态向上能级的驰豫过程比中间态向激光下能级的驰豫过程快过程比中间态向激光下能级的驰豫过程快得多得多.一一.自上而下转移自上而下转移红宝石激光器和红宝石激光器和Nd:YAG激光器激光器半导体激光器半导体激光器二二.自下而上转移自下而上转移r+、Kr、Xe 等惰性气体离子激光器几及等惰性气体离子激光器几及e Cd 激光器等激光器等三三.横向转移方式横向转移方式e-Ne及及2 激光器激光器要点1.激光产生的必要条件激光产生的必要条件(粒子数反转分布粒子数反转分布)2.激光产生的充分条件激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强强可以从微小信号增长到饱和光强)3.饱和光强饱和光强 定义定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强时的光强为饱和光强.4.谱线加宽的分类谱线加宽的分类:均匀加宽和非均匀加宽均匀加宽和非均匀加宽两种加宽的本质区别？两种加宽的本质区别？5激光器泵谱技术的分类激光器泵谱技术的分类:直接泵谱直接泵谱 缺点：（缺点：（34页）页）间接泵谱间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式方式)间接泵谱的优点？间接泵谱的优点？6.频率牵引频率牵引有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率接近工作物质的中心频率7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？级间粒子跃迁的动态过程？8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？激振荡吗？为什么？9.激光的特性激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度单色性、方向性、相干性和高亮度)10.证明光谱线型函数满足归一化条件证明光谱线型函数满足归一化条件证明:则11.激光器的输出特性激光器的输出特性。（31页）此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
