第二讲 激光原理 激光器基本结构(精品).ppt

Postgraduate 激光原理激光原理Postgraduate本节课主要内容本节课主要内容能级能级跃迁跃迁自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收粒子数反转粒子数反转三能级和四能级三能级和四能级激光器基本结构激光器基本结构纵模纵模横模横模Postgraduate 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，这些定态称为原子的量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级能级”；原；原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃跃迁迁。E1E3E2PostgraduatePostgraduate 能级:粒子的内部能量值 高能级:能量较高的能级 低能级:能量较低的能级基能级:能量最低的能级(相应的状态称基态）激发能级:能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态)651234n激发态激发态基态基态辐射跃迁和非辐射跃迁辐射跃迁和非辐射跃迁1.跃迁跃迁:粒子由一个能级过渡到另一能级的过程粒子由一个能级过渡到另一能级的过程2.辐射跃迁:粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)发发射射跃跃迁迁:粒粒子子发发射射一一光光子子=hv=E2E1而而由由高高能能级级跃跃迁迁至低能级至低能级;E2E1吸吸收收跃跃迁迁:粒粒子子吸吸收收一一光光子子=hv=E2E1 而而由由低低能能级级跃跃迁迁至高能级至高能级.E2E163.无辐射跃迁:既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)4.激发态的平均寿命 :粒子在激发态停留时间的平均值的 典型 值:10-710-9秒5.亚稳态亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射 跃跃迁迁,则则该该态态的的平平均均寿寿命命会会很很长长(10(10-3-3秒秒),),称称亚亚稳稳能能级级,相相应应的的态态为亚稳态。为亚稳态。一般，一般，能级寿命能级寿命 10-8 10-9 S 如如H原子原子 2p态态 0.16 10-8 S 3p态态 0.54 10-8S 亚稳态：亚稳态：如如He原子的两个亚稳态能级原子的两个亚稳态能级(20.55eV)10-4 S (19.77eV)10-6 S 7Postgraduate高高高高能能能能级级级级低低低低能能能能级级级级热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律:ENE2E1N1N2Postgraduate光与物质相互作用的三种过程光与物质相互作用的三种过程爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程：q自发辐射q受激辐射q受激吸收Postgraduate 设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：的原子数：自发辐射过程自发辐射过程(spontaneous radiation)E2E1N2N1h Postgraduate写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相非相干光干光。Postgraduate受激辐射受激辐射(stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 （、）温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1)/h附附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。近，单位频率间隔的外来光的能量密度。Postgraduate 则则单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数PostgraduateW21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。则则令令 W21=B21 （、T）Postgraduate受激辐射过程受激辐射过程趋近高能级趋近高能级趋近高能级趋近高能级E E2 2上的粒子时上的粒子时上的粒子时上的粒子时外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级E E1 1发射一个全同光子发射一个全同光子发射一个全同光子发射一个全同光子(频率相同、频率相同、频率相同、频率相同、传播方向相同、传播方向相同、传播方向相同、传播方向相同、偏振方向相同）偏振方向相同）偏振方向相同）偏振方向相同）光光放放大大PostgraduateE2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子从上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：的原子数：受激吸收过程（受激吸收过程（stimulated absorption）Postgraduate写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。PostgraduateA21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。了理论基础。f2B21 =f1 B12上述关系如何推导得出呢？上述关系如何推导得出呢？A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件推导得出。推导得出。Postgraduate思考：物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？提示：光学中谱的概念，Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱20Postgraduate粒子数反转粒子数反转(population inversion)从从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。引起吸收过程。Postgraduate必须必须 N2 N1这种状态称为这种状态称为 粒子数反转粒子数反转或者或者集居数反转集居数反转。因因 B21=B12 W21=W12产生激光必须产生激光必须 其中其中称为称为反转粒子数。反转粒子数。Postgraduate受激吸收总是占优势受激吸收总是占优势表现为光的吸收表现为光的吸收通常情况下通常情况下：N1 N2B21 (21)N1 B12 (21)N2 粒子数分布反转粒子数分布反转受激辐射占优势受激辐射占优势为得到光放大为得到光放大,必须使必须使N2 N1视频视频实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的外界激励能量；）提供足够的外界激励能量；2）原子在激发态多）原子在激发态多“呆呆”一会；一会；24Postgraduate1)实现粒子数反转分布的条件实现粒子数反转分布的条件电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励(A)激励激励(又称泵浦又称泵浦)光光的的光光增增益益Postgraduate(B)合适的能级结构合适的能级结构（合适亚稳态的存在）（合适亚稳态的存在）（合适亚稳态的存在）（合适亚稳态的存在）光光的的光光增增益益 三能级系统三能级系统三能级系统三能级系统 当当当当泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有可能使可能使可能使可能使 ,在能在能在能在能级级级级E E2 2 于于于于E E1 1 间实现粒子间实现粒子间实现粒子间实现粒子数反转。数反转。数反转。数反转。光光的的光光增增益益亚稳态能级亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N27红宝石激光器的工作物质：红宝石红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（是掺有少量铬离子（Cr3+)的的（Al2O3)晶体。晶体。采用光激励方法：采用光激励方法：受激和发光都在受激和发光都在Cr3+上上进行，进行，是典型的三能是典型的三能级系统级系统。光光的的光光增增益益28 四能级系统四能级系统 比三能级系统容易实比三能级系统容易实现粒子数反转分布。现粒子数反转分布。光光的的光光增增益益29 四能级系统四能级系统四能级系统四能级系统 当当当当泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有可能使可能使可能使可能使 ,在能在能在能在能级级级级E E3 3 于于于于E E2 2 间实现粒子间实现粒子间实现粒子间实现粒子数反转。数反转。数反转。数反转。光光的的光光增增益益E4E13EN21N3NE0NE2N4亚稳态能级亚稳态能级NEE4E12EN23N03E30 Nd：YAG激光器是四能级系统激光器是四能级系统31 氦氖气体激光器是四能级系统氦氖气体激光器是四能级系统氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布光光的的光光增增益益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电电子子碰碰撞撞激激发发电电子子碰激激发发管管壁壁效效应应自发辐射自发辐射632.8nm共共振振转转移移32产生激光的能级系统产生激光的能级系统（1）三能系统三能系统（2 2）四能级系统）四能级系统 三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统红宝石激光器红宝石激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器33(1)要有适当的激光工作物质要有适当的激光工作物质(2)要有外界激励源要有外界激励源(3)要有激光谐振腔要有激光谐振腔激光形成的基本条件激光形成的基本条件激光形成的基本条件或激光器的基本结构激光形成的基本条件或激光器的基本结构产产生生激激光光的的条条件件谐振腔的作用：谐振腔的作用：（2）使激光产生极好的方向性。（空间）使激光产生极好的方向性。（空间）（3）使激光的单色性好。（频率）使激光的单色性好。（频率）（1）维持光振荡，起到光放大作用。正反馈）维持光振荡，起到光放大作用。正反馈34激光器的组成激光器的组成谐振腔谐振腔工作物质工作物质工作物质工作物质激励系统激励系统激励系统激励系统激激光光器器一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔。35激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理谐振腔作用：正反馈和选择方向谐振腔作用：正反馈和选择方向36一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔。光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用光光学学谐谐振振腔腔 激光在两反射镜间形成激光在两反射镜间形成驻波驻波。谐振条件为：谐振条件为：2nL=q =q c 2nL L:腔长腔长 n:气体折射率气体折射率37振荡模式振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用的光波基本形式，用TEMmnq表示。表示。m和和n表征该模式在垂直于腔轴内形成表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数驻波的节点数,称称横模数横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称点数，称纵模数纵模数。1.纵模纵模 能引起振荡的频率关系能引起振荡的频率关系2.横模横模 光场在横向不同的稳定分布。光场在横向不同的稳定分布。光光学学谐谐振振腔腔38小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件.激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）39(1)红宝石红宝石激光器激光器 聚光反射器聚光反射器红宝石棒红宝石棒触发电极触发电极氙闪光灯氙闪光灯激光束激光束无辐射跃迁无辐射跃迁E!E3E2激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态泵泵浦浦550.0 nm694.3 nm激励能源激励能源，工作物质工作物质，谐振腔谐振腔&激光器的结构激光器的结构激光器基本上由三部分份组成：激光器基本上由三部分份组成：40(2)氦氖氦氖激光器激光器 氦氖原子能级氦氖原子能级 无辐射跃迁无辐射跃迁泵泵浦浦E!E4E3激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态E2阳极阳极阴极阴极毛细管毛细管部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜内腔式内腔式球面反球面反射镜射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗外腔式外腔式球面半球面半反射镜反射镜41PostgraduateThank you!