激光基础原理精选课件.ppt

关于激光基础原理关于激光基础原理第一页，本课件共有39页理论基础理论基础 爱因斯坦（爱因斯坦（19171917）在物质与辐射场的相互作用下，构成物质的原子或分子可在物质与辐射场的相互作用下，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激吸收或受激辐射。以在光子的激励下产生光子的受激吸收或受激辐射。E1E0激光（激光（Laser）Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation绪绪论论第二页，本课件共有39页量子电子学（量子电子学（19541954）开放式光谐振腔与光泵浦（开放式光谐振腔与光泵浦（19581958）红宝石固态激光器（红宝石固态激光器（19601960）不同类型的激光器和激光控制技术（至今）不同类型的激光器和激光控制技术（至今）因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有学家共有1010位位.激光的产生与发展（激光的产生与发展（LASER)LASER)绪绪论论第三页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：方向性好方向性好 单色性好单色性好 亮度高亮度高 相干性好相干性好(空间相干性、时间相干性）空间相干性、时间相干性）绪绪论论第四页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：在信息技术领域的应用在信息技术领域的应用 1 1、全息照相、全息照相 2 2、全息激光防伪标签、全息激光防伪标签 3 3、多路合成角度全息展示艺术品、多路合成角度全息展示艺术品 4 4、激光全息存储、激光全息存储绪绪论论第五页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：在光通讯技术领域的应用在光通讯技术领域的应用 1 1、光纤通讯（激光作为载波）、光纤通讯（激光作为载波）2 2、自由空间光通信（、自由空间光通信（FSOFSO）“大气窗大气窗”850nm850nm和和1550nm1550nm 绪绪论论第六页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：在医学领域的应用在医学领域的应用 1 1、激光眼科手术、激光眼科手术 2 2、激光牙科手术、激光牙科手术绪绪论论第七页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：在工业领域的应用在工业领域的应用 激光切割、焊接及打标等激光切割、焊接及打标等绪绪论论第八页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：在照明和装饰、娱乐领域在照明和装饰、娱乐领域(激光地标、激光水幕等）激光地标、激光水幕等）绪绪论论第九页，本课件共有39页激光在各领域中的广泛应用及发展前景：激光在各领域中的广泛应用及发展前景：在科学研究领域在科学研究领域 激光激光“束缚束缚”原子原子冷却和陷俘原子冷却和陷俘原子 （19971997，诺贝尔物理奖，朱棣文），诺贝尔物理奖，朱棣文）惯性约束聚变惯性约束聚变人造小太阳人造小太阳绪绪论论第十页，本课件共有39页发展方向发展方向更大更大为了进行高能物理、为了进行高能物理、热核聚变等方面的热核聚变等方面的研究工作，激光器研究工作，激光器产生的能量密度和产生的能量密度和功率不断提高。功率不断提高。现在世界上功率最现在世界上功率最大的激光器是美国大的激光器是美国的国家点火工程的国家点火工程（NIFNIF）中使用的）中使用的NOVANOVA激光系统，其激光系统，其峰值功率达到峰值功率达到1.3PW1.3PW（10101515W W），该），该系统有望在今年投系统有望在今年投入使用。入使用。绪绪论论第十一页，本课件共有39页NISNIS已经于已经于20092009年点火成功，年点火成功，20102010年报道的单脉冲能量达到年报道的单脉冲能量达到1MJ1MJ，峰值功率，峰值功率10101515W W以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的的500500倍以上。倍以上。目前，神光目前，神光-原型装置原型装置“十五十五”建设目标已圆满完成，达到建设目标已圆满完成，达到“8 8束出光，脉冲束出光，脉冲-万焦耳万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家设新一代高功率激光驱动器能力的国家。绪绪论论第十二页，本课件共有39页更小更小各种工业指示、标记、探测各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；化方向发展；第十三页，本课件共有39页更集成更集成 各种通信用的各种通信用的激光模块，往往包激光模块，往往包含十几个甚至几十含十几个甚至几十个半导体激光器，个半导体激光器，并且集成了调制、并且集成了调制、功率检测、温度监功率检测、温度监测等功能模块。测等功能模块。绪绪论论第十四页，本课件共有39页更快更快更高的调制频率：更高的调制频率：GHzGHz；更短的脉冲宽度：飞秒激光器更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)(FemtoSecond Laser)；更多样化更多样化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、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；热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（多样化的工作物质：固体（NdNd：YAGYAG）、气体（）、气体（He-He-NeNe、CO2CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；）、液体、染料、半导体、自由电子等；绪绪论论第十五页，本课件共有39页光子基本特性光子基本特性能量：能量：动量：动量：质量：质量：光子没有静止质量光子没有静止质量偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对应于光波的两个独立偏振方向；应于光波的两个独立偏振方向；自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数，自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数，光子属于光子属于玻色子玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即，服从玻色爱因斯坦分布，即处于同一量子态的处于同一量子态的全同粒子全同粒子数目没有限制。数目没有限制。光子的相干性光子的相干性第十六页，本课件共有39页任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢来标识；来标识；也可以将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁也可以将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁波等效的电磁波本征模式的线性叠加；波等效的电磁波本征模式的线性叠加；本征模式的能量、动量具有量子化特性，即能量为本征模式的能量、动量具有量子化特性，即能量为基本能量基本能量的整数倍的整数倍，动量为基本动量，动量为基本动量的整数倍的整数倍。具有基本能量具有基本能量和基本动量和基本动量的物质单元称的物质单元称为属于第为属于第个本征模式的光子。个本征模式的光子。光子的相干性光子的相干性第十七页，本课件共有39页光波模式与光子相格光波模式与光子相格在有边界条件限制的空间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、内，只能存在一系列独立存在的、具有特定波矢的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波具有特定波矢的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光波模式。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：满足以下条件：其中其中m、n、l为正整数，由波矢的表达式为正整数，由波矢的表达式可以得到波可以得到波矢的三个分量：矢的三个分量：每组不同的每组不同的m、n、l标识了不同的模式，如果在由标识了不同的模式，如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的模式，其结果如右图，每个构成的空间中表示不同的模式，其结果如右图，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：间中一个模式占据的体积为：光子的相干性光子的相干性第十八页，本课件共有39页波矢在波矢在范围内的波矢空间体积为：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：则在该空间内所包含的光波模式数为：由波矢的定义有：由波矢的定义有：可以得到在体积为可以得到在体积为V的腔内，频率的腔内，频率附近附近间隔内的模式数间隔内的模式数P为：为：因此单位体积内，频率因此单位体积内，频率附近，单位频率间隔的模式数为：附近，单位频率间隔的模式数为：光子的相干性光子的相干性第十九页，本课件共有39页光子状态与相格光子状态与相格在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其加以在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其加以区别；区别；宏观上质点的运动状态可以用位置（宏观上质点的运动状态可以用位置（x,y,z）和动量）和动量（Px,Py,Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间）来完全确定，一种运动状态对应相空间（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一个点；）中的一个点；微观上的粒子运动满足测不准原理：微观上的粒子运动满足测不准原理：在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个体积元，在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：称为相格，其在相空间中的体积为：光子的相干性光子的相干性第二十页，本课件共有39页在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：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：构成的，因此每个模式的动量可以写成：将以上结果代入将以上结果代入(1)式，可得到：式，可得到：即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光波模等效于一个光子态。波模等效于一个光子态。光子的相干性光子的相干性第二十一页，本课件共有39页相干性相干性光源的相干体积光源的相干体积考虑频率宽度为考虑频率宽度为的沿的沿z方向传播的准单色平面波，由双缝干涉理论可知方向传播的准单色平面波，由双缝干涉理论可知光源的相干面积光源的相干面积：光波的相干长度为其波列长度：光波的相干长度为其波列长度：则光源相干体积为：则光源相干体积为：其物理意义为：如要求传播方向限于其物理意义为：如要求传播方向限于之内并具有频率宽度之内并具有频率宽度的光的光波相干，则光源应局限在空间体积波相干，则光源应局限在空间体积Vc内。内。光子的相干性光子的相干性第二十二页，本课件共有39页光子的相干性光子的相干性光子动量在光子动量在(x,y,z)方向的分量分别为：方向的分量分别为：根据前述的光子态在相空间的体积为根据前述的光子态在相空间的体积为可得：可得：上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态，则上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态，则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。光子的相干性光子的相干性第二十三页，本课件共有39页光子态与光波模式是电磁场运动状态描述光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等效提法，是两种等效的物理概念；的两种等效提法，是两种等效的物理概念；相格的空间体积以及一个光波模式或光子相格的空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积；态占有的空间体积都等于相干体积；属于同一状态的光子或同一模式的光波是属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，而不同状态的光子或不同模式的相干的，而不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。光波是不相干的。光子的相干性光子的相干性第二十四页，本课件共有39页黑体辐射与普朗克公式黑体辐射与普朗克公式黑黑体体：一一个个物物体体能能够够完完全全吸吸收收任任何何波波长长的的电电磁磁辐辐射射，则则称称此此物物体体为为绝绝对对黑黑体体或或黑黑体体。自自然然界界中中不不存存在在绝绝对对黑黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑黑体体辐辐射射：当当黑黑体体处处于于某某一一恒恒定定温温度度的的热热平平衡衡状状态态，它它吸吸收收的的电磁辐射和发射的电磁辐射电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等，即处于能量平衡状态，这完全相等，即处于能量平衡状态，这 将导致空腔内存在完全将导致空腔内存在完全确定确定的辐射场。的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。激光产生的机理激光产生的机理第二十五页，本课件共有39页普朗克公式：普朗克公式：黑体辐射是黑体温度黑体辐射是黑体温度T T和辐射场频率和辐射场频率 的函数，并可的函数，并可以用以用单单色能量密度色能量密度 描述，描述，表示表示单单位体位体积积内，内，频频率率处处于于 附近的附近的单单位位频频率率间间隔中的隔中的电电磁磁辐辐射能量，射能量，其量其量纲为纲为 。为为了解了解释实验测释实验测得的得的 分布分布规规律，普朗克提出律，普朗克提出了量子化假了量子化假设设，并得到了普朗克公式：在温度，并得到了普朗克公式：在温度T T的的热热平衡状平衡状态态下，黑体下，黑体辐辐射平均地分配到腔内射平均地分配到腔内处处于于频频率率 附近的所有模式上的平均能量附近的所有模式上的平均能量为为：激光产生的机理激光产生的机理第二十六页，本课件共有39页而腔内单位体积中，频率处于而腔内单位体积中，频率处于 附近单位频率间隔内的电附近单位频率间隔内的电磁场模式数：磁场模式数：所以可以得到黑体辐射的普朗克公式：所以可以得到黑体辐射的普朗克公式：其中其中K K为波尔兹曼常数：为波尔兹曼常数：激光产生的机理激光产生的机理黑体辐射实质上是辐射场黑体辐射实质上是辐射场 和构成黑体的物质原子相互作用的结果和构成黑体的物质原子相互作用的结果第二十七页，本课件共有39页受激辐射与自发辐射受激辐射与自发辐射自发辐射（自发辐射（Spontaneousemission）处于高能级处于高能级E2的原子自发的向的原子自发的向较低能级较低能级E1跃迁，并发射一个能跃迁，并发射一个能量为量为的光子，这种过程称为自发辐射。的光子，这种过程称为自发辐射。自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。相干光。假设系统中高能级原子数为假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为，低能级原子数为n1，则单位时间内，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：为：其中其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的于高能级的原子发生自发跃迁的几率几率。激光产生的机理激光产生的机理第二十八页，本课件共有39页按照定义：按照定义：从上式可以解出：从上式可以解出：自发辐射的平均寿命自发辐射的平均寿命定义为原子数密度由起始值定义为原子数密度由起始值降至它的降至它的1/e的时间，则高能级原子数随时间变化可的时间，则高能级原子数随时间变化可表示为：表示为：通过比较可以得到：通过比较可以得到：，即自发辐射系数，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性质决定的，不受外部辐射场的影响。质决定的，不受外部辐射场的影响。激光产生的机理激光产生的机理第二十九页，本课件共有39页受激吸收（受激吸收（StimulatedAbsorption）如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高能级跃迁的过程。能级跃迁的过程。处于低能级处于低能级E1的一个原子，在频率为的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，受的辐射场作用（激励）下，受激地向激地向E2能级跃迁并吸收一个能量为能级跃迁并吸收一个能量为的光子，这一过程称为受激吸的光子，这一过程称为受激吸收，用受激吸收跃迁几率收，用受激吸收跃迁几率描述：描述：受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与外加电磁场外加电磁场成正比，因此唯象的将其表示为：成正比，因此唯象的将其表示为：其中其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。激光产生的机理激光产生的机理第三十页，本课件共有39页受激辐射（受激辐射（StimulatedEmission）与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外加电磁场之间还存在另一种受激相互作加电磁场之间还存在另一种受激相互作用，一个处于高能级用，一个处于高能级E2的原子在频率为的原子在频率为的电磁场作用下，受激地跃迁到的电磁场作用下，受激地跃迁到E1能级，并放出一个能量为能级，并放出一个能量为的光子，的光子，该过程被称为受激辐射跃迁。该过程被称为受激辐射跃迁。可以用受激辐射跃迁几率可以用受激辐射跃迁几率W21来描述受激辐射过程中高能级原子数来描述受激辐射过程中高能级原子数变化的规律：变化的规律：受激辐射跃迁机率同样与外加电磁场和原子特性相关：受激辐射跃迁机率同样与外加电磁场和原子特性相关：激光产生的机理激光产生的机理第三十一页，本课件共有39页跃迁几率之间的相互关系跃迁几率之间的相互关系当黑体处于确定的温度当黑体处于确定的温度T的热平衡状态时，具有以下三的热平衡状态时，具有以下三个特点：个特点：腔内存在着由普朗克公式描述的热平衡黑体辐射；腔内存在着由普朗克公式描述的热平衡黑体辐射；腔内物质原子数按照能级的分布服从热平衡状态下的波尔兹曼分布：腔内物质原子数按照能级的分布服从热平衡状态下的波尔兹曼分布：g1、g2为能级为能级E1、E2的统计权重；的统计权重；腔内处于腔内处于E2（或（或E1）能级的原子数应保持不变：）能级的原子数应保持不变：激光产生的机理激光产生的机理第三十二页，本课件共有39页由特点由特点3得到：得到：将普朗克公式和波尔兹曼分布带入上式有：将普朗克公式和波尔兹曼分布带入上式有：令令，可以求出爱因斯坦，可以求出爱因斯坦系数之间的相互关系：系数之间的相互关系：特别的，当特别的，当g1=g2时，时，B12=B21激光产生的机理激光产生的机理第三十三页，本课件共有39页受激辐射的相干性受激辐射的相干性自发辐射和受激辐射的区别是什么？自发辐射和受激辐射的区别是什么？自发辐射发出的光子在相位、传输方向、偏振方向等特性上是无规则的，即平均自发辐射发出的光子在相位、传输方向、偏振方向等特性上是无规则的，即平均分配在腔内可能稳定存在的所有的电磁场模式上；分配在腔内可能稳定存在的所有的电磁场模式上；受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生的过程，由量子电动力学可以严受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生的过程，由量子电动力学可以严格证明受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即具有相同的频率、相格证明受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即具有相同的频率、相位、波矢和偏振等特性。位、波矢和偏振等特性。按照经典原子模型，将原子看作简谐振动的电偶极子，自发跃迁是原子中电子的自发阻按照经典原子模型，将原子看作简谐振动的电偶极子，自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，因此每个原子的自发跃迁互相之间没有关联；而受激辐射可以看作电子在外加尼振荡，因此每个原子的自发跃迁互相之间没有关联；而受激辐射可以看作电子在外加光场作用下做受迫振动，其振荡频率、相位、方向等与外加光场一致。光场作用下做受迫振动，其振荡频率、相位、方向等与外加光场一致。大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射光子处于同一光子态，因而是相干大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射光子处于同一光子态，因而是相干的。的。激光产生的机理激光产生的机理第三十四页，本课件共有39页光的受激辐射放大光的受激辐射放大光放大的基本原理：利用受激辐射；光放大的基本原理：利用受激辐射；由于在原子与外加光场相互作用时同时存在受激辐射和受激吸收两种作用，由于在原子与外加光场相互作用时同时存在受激辐射和受激吸收两种作用，想要实现光放大，必须要满足关系：想要实现光放大，必须要满足关系：由爱因斯坦系数相互关系及波尔兹曼分布得到光放大的条件：由爱因斯坦系数相互关系及波尔兹曼分布得到光放大的条件：“不可能不可能”的前提是原子数按照能级的分布服从波尔兹曼分布，那么要实现光放的前提是原子数按照能级的分布服从波尔兹曼分布，那么要实现光放大，必须使原子数按能级的分布打破波尔兹曼分布，即使得高能级原子数大于低大，必须使原子数按能级的分布打破波尔兹曼分布，即使得高能级原子数大于低能级原子数，使物质处于能级原子数，使物质处于粒子数反转粒子数反转状态，或者称为负绝对温度状态。状态，或者称为负绝对温度状态。要满足该条件，只有要满足该条件，只有Ta；损耗大于增益增益大于损耗激光产生的机理激光产生的机理第三十八页，本课件共有39页感感谢谢大大家家观观看看第三十九页，本课件共有39页