激光原理第二讲.ppt

2005年国际物理年 World Physics of the year（联合国通过大会决议）“爱因斯坦年”（德、英等国直接命名）恰逢爱因斯坦逝世50周年1905年是科学史上较为特殊的一年，创造奇迹的一年。当时默默无闻的爱因斯坦（26岁）发表的5篇论文（涉及光电效应、布朗运动和狭义相对论）彻底改变了传统的物理学，也为造福后世的诸多技术奠定了基础。2005国际物理年的意义负有帮助物理学在21世纪重振雄风的重任学好数理化，走遍天下全不怕电子、生物和经济等新兴学科的吸引力 主宰上世纪发展的科学界，正在缓慢而又令人痛苦地衰落，有青黄不接的危机。(法新社)21世纪是否会出现第二个爱因斯坦？物理宏观领域：宇宙学的一些基本问题，如暗物质、暗能量的来源、组成和性质。物理微观领域：人类对物质组成的认知还需要更为深入Nature杂志社论：“在下一次(物理学理论)革命前，物理学的主要成就将出现在工程领域。正在从事这方面工作的物理学家如果保持沉默，是可耻的物理学不仅是要了解我们的宇宙，而且也致力于制造有用、有时也是激动人心的事物。”物理学发挥“用”的功能：研究繁杂系统，让物理学为能源、材料、信息和环境问题提出解决方案及与其他学科的交叉和渗透。光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技术的一门学科电子学研究电子作为信息和能量载体的科学光子学研究光子作为信息和能量载体的科学光子技术 相干光的产生 激光原理激光原理激光原理激光原理（48学时）相干光的控制(调制、偏转)光频率（波长）变换 相干光的检测及应用光电子技术光电子技术电子技术-光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波Nature Science Physics Review Letters (PRL)6.017Applied Physics Letters (APL)4.207Optics Letters (OL)3.395Optics Express(OE)3.219Journal of Applied physics (JAP)2.281IEEE Photonic technology Letters (PTL)2.1IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE)2.097Journal of Lightwave Technology(JLT)1.983一些相关的重要学术刊物(SCI收录期刊）教学大纲：第三、八章（不讲）；第九、十章（自学）教学手段：上课内容：演示文稿（英文文稿试用）课堂练习：课前或课后（10min.）课后作业：周一课前交，下课后补交按迟交处理 习题讲评&课堂讨论：2-3次 专题学习报告（继续试点，自愿参加）考试方式：开卷期中&期末 成绩：作业练习 15 期中 30 期末考查 55 作业练习专题 25 期中 30 期末考查 45 课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;上课期间不得随意离开教室 学风建设：主动积极听课，把心留在教室里，认真独立完成作业 端正态度，不要有投机取巧的侥幸心理 处理好课程学习和出国准备的矛盾 教师有关联系信息 姚敏玉 东主楼11区410 62772370 张洪明 东主楼11区409 62772370 激光发展的历史回顾LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 科学技术发展规律 基础理论研究 应用技术 产品开发 产业 基础理论研究是构筑科学大厦的基石 为激光发展进行探索的科学家1917:爱因斯坦爱因斯坦(A.Einstein)提出了受激辐射可实现光放大的概念,为激光发明奠定了理论基础1917年以后近四十年内年以后近四十年内：量子理论的发展;粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展1954：美国汤斯汤斯(C.H.Townes)前苏联巴索夫巴索夫(N.G.Basov)普洛霍洛夫普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)1958:美国汤斯汤斯(Towns)与肖洛肖洛(A.L.Schawlow)提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想;布隆伯根布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思1960.7：美国休斯休斯公司实验室梅曼梅曼(T.H.Maiman)世界上第一台红宝石红宝石固态激光器诞生1997:朱棣文朱棣文、菲利普菲利普(W.Phillips)和塔罗季塔罗季（C.Tannoudi)利用激光冷却和钳制原子的研究2000:赫伯特赫伯特克雷歇尔（克雷歇尔（H.Pressel），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。激光的发明使光学领域的研究出现新的活力。激光一方面为成熟的领域中现有的各种应用技术带来数量级的改善，另一方面又开辟了一些新的领域和新的应用和新学科。全息术D.Gaber，不实用技术 成为可能 光通信室温工作的双异质结半导体激光器和掺铒光纤 放大器带来了光通信的革命性变化 国防安全追寻成功者的足迹，给人必要的启迪 任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大胆探索的结果,勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿。大胆设想,勇于创新，勇于实践,锲而不舍。英文参考书英文参考书：Amnon Yariv “Introduction to Optical Electronics”Anthony E.Siegman“Lasers”Orazio Svelto“Principles of Lasers”1998年（第四版）Joseph T.Verdeyen“Laser Electronics”1995年（第三版）中文参考书：中文参考书：邹英华邹英华 孙陶亨孙陶亨 激光物理学激光物理学北京大学出版社北京大学出版社 伍长征伍长征 王兆永等王兆永等 激光物理学激光物理学复旦大学出版社复旦大学出版社 第一章第一章 激光基本原理概述激光基本原理概述 按激光工作物质分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体（有机染料）激光器 一般激光器的三个主要组成部分：激光工作物质、光学谐振腔、激励能源1.2 光的受激辐射（Stimulated Emission)一、光和物质(原子、分子、离子，统称粒子)相互作用的三种过程自发辐射(SP)E1E2h(Spontaneous Emission)受激吸收(STA)hE1E2(Stimulated absorption)受激辐射(STE)hE1E22h(Stimulated Emission)E2 and E1 表示两个激发态一个光子的能量辐射频率E1E2hE1E2h 自发辐射（Spontaneous Emission）。主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。自发辐射几率(Spontaneous transition rate)A21 能级21 跃迁的特征参数E2能级平均寿命推导 A21 and s 的关系式E1E2h 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命ts呈倒数关系 ts 可以通过实验测得，由 A21=1/s可获得自发辐射几率 A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关 受激跃迁 受激吸收 stimulated absorption(STA)受激发射 stimulated emission(STE)hE1E2 受频率为 的光场作用 受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输 方向 受激吸收几率 W12 受激辐射几率 W21单色能量密度 (J m-3 s)受激辐射几率与辐射场的强度 成正比 能级21 and 12 的受激跃迁几率相等 即 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数 B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关 A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导二、二、爱因斯坦关系式 A21、B21 和B12的关系爱因斯坦关系热平衡黑体辐 射 公 式玻尔兹曼分布模密度模密度n n 黑体辐射分配到黑体辐射分配到腔内每个模式的腔内每个模式的平均能量平均能量 f1=f2能级简并度说明：1.SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别2.两种辐射比较(热平衡情况下)答案：SPE（自发辐射）占绝对优势单位时间STE增加的光子数密度单位时间STA减少的光子数密度3.两种受激跃迁比较(热平衡情况下)T=1500K,=500nm 空腔4.自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发辐射 因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。1.3 激光产生的基本原理（概述）激光产生的条件:(1)粒子数反转分布 (2)增益 损耗 即自激振荡的阈值条件Flash lampFlash lampOutputbeamExternal mirrorExternal mirrorPartly transmissionRuby laser694.3nm 发光粒子铬离子(Cr3+)泵浦光源闪光灯,其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射光放大形成激光以红宝石激光器(Ruby Laser)为例一、受激辐射占优势的条件 粒子数反转分布（population inversion）粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大s实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质s粒子数反转分布是产生激光的前提条件s如何实现粒子数反转分布？只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转En常温下，Bolzman分布反转分布r1r2mediumenergy sourceAlmost any energy source can be used as pump,even another laser.泵浦方法 1.光学 a)闪光灯；b)其它激光器（如半导体激光器）2.电 a)气体放电;b)大能量电子束;c)注入电流(产生电子-空穴对)1.3.化学反应 a)火焰;b)爆炸2.4.电离性辐射 a)核弹 b)X-ray 3.5.Thermal oven 二、受激辐射光放大 开放式谐振腔（Open resonator or cavity）模选择 提高光子简并度(Photon degeneracy)激活介质中的增益 增益系数(gain coefficient),增益饱和(gain saturation)增益曲线(gain profile)a.光子简并度 b.开放式谐振腔的模选择c.增益系数(小信号、大信号、增益饱和)d.增益曲线(增益系数对于频率的分布)激光特性:单色性好、方向性好、光亮度 相干光(coherent light)自发辐射 非相干光光子简并度很低 受激辐射 相干光光子简并度高 什么是光子简并度 n 衡量相干光的参量 具有相同能量和动量的光子数（也称同态光子数）同一模式中的光子数Photon degeneracy例：黑体辐射源（近似封闭腔）的光子简并度模密度模密度n n 黑体辐射分配到每黑体辐射分配到每个模式的平均能量个模式的平均能量Example:T=300K =30cm n=103 coherent =60m n=1;=0.6m n=10-35 incoherent结论:黑体辐射在红外和可见光波段为非相干的模密度 n式(1.3.2)的物理意义?(1.3.2)(2)避免产生许多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一个或少数几个模内。(3)将封闭腔改为开放式谐振腔(1)最简单的开放式谐振腔是F-P腔 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加,其它模 式(非轴向)逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。光谐振腔有选模作用，是构成激光器的主要部分。轴向模轴向模F-P 光谐振腔Closed cavity 增益系数(Gain Coefficient)与增益曲线 增益系数 描述激光工作物质放大特性的参数定义：单位长度介质中光强增大的百分比n(z)0z增益介质I(z)I00zdz薄层净净STE光子数密度光子数密度 若介质中n分布均匀,g(z)常数 g0 小信号增益系数 光放大光被吸收透明透明*随着光强不断增大，增益系数是否能保持常数请考虑每一变化的物理原因？请考虑每一变化的物理原因？受激辐射使消耗反转粒子数增多（注意前提条件）（注意前提条件）反转粒子数饱和 增益饱和 大信号情况No!增益饱和 g(I)（Gain Saturation)问题:何时会出现增益饱和？饱和光强 Is:其值由增益介质本身性质决定（4.5节讨论）光强增大到一定程度一定程度,g 将随 I 的增大而减小小信号增益系数，常数，与 I 无关大信号增益系数，g(I)g0增益饱和（饱和增益系数）增益曲线 g()增益系数相对于频率的分布问题的提出：引起STE的外来光(自发辐射）不是单一频 率，有一定的频率分布,(第四章详细讨论)增益线宽 定义:增益曲线极大值的半高全宽(FWHM)g()0损耗系数 激活介质中不仅存在增益，还有损耗损耗系数单位长度光强衰减的百分比 负增益系数g&并存的介质中，光强的变化解微分方程并有dz薄层g&三、自激振荡器 （引出激光阈值条件、极值光强等）（1）自激振荡概念 (电)自激振荡器必须具备的基本条件：同相；振幅平衡激光器 光自激振荡器如何实现光的正反馈和稳定的振幅（光强）？光光谐振腔谐振腔增益和损耗达到平衡增益和损耗达到平衡amplifierfeedbackr1r2Active mediumPump for producing an inversion激光振荡的阈值条件I0Imgg0zzI0只要增益介质足够长，无论初始光强 I0 如何，通过增益饱和，总可以达到确定的极值光强 Im 即自激振荡概念设增益介质无限长，且增益与损耗并存 激光器是否振荡与初始光强无关 初始光强来自于自发辐射 介质增益饱和作用使增益和损耗的平衡决定了激光的最后输出功率（2）如何使有限长增益介质成为“无限长”光放大器 沿着腔轴的光在腔内多次往返等效无限长放大器（3）自激振荡条件激光振荡条件阈值条件光谐振腔:光学正反馈；同相位增益饱和：极值光强；稳定振幅 Index of refraction:h medium length Lr1r2I0I1 Threshold condition(阈值条件）d单程损耗，即单程渡越时腔内平均光强衰减的比值阈值条件 阈值(自激振荡)条件是激光产生的必要条件，唯一地 由激光器的损耗决定。损耗是评价激光器的重要指标=d激光腔内的平均损耗系数，包括激活介质、谐振腔及其它损耗（详见2.1 节）Note:1.Threshold condition is necessary for generation of laser,only dependent on the losses,independent on the intensity of initiative light.2.Initiative light comes from spontaneous emission of laser medium,even if the spontaneous emission is so weak at the beginning.Finally,the terminal intensity can be obtained by gain saturation effect.3.If the length of active medium(l)is shorter than the length of cavity(L),the threshold condition still is(details presented in 5.1)Summary Three interactions between light and medium SPE STE STA Einstein relationship A21,B21 and B12 Three key parts consisted of a conventional laser and their functions,respectively.Some important physical concepts and parameters population inversion,gain medium(active medium)gain(loss)coefficient,(small signal;big signal)gain (population)saturation;saturation intensity;terminal intensity;threshold condition