第2章激光产生的基本原理PPT讲稿.ppt

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1、第2章激光产生的基本原理第1页，共30页，编辑于2022年，星期一 玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题。的本质联系问题。静电势能：静电势能：电子动能：电子动能：原子的总能量：原子的总能量：上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。2.1.2 原子的能级原子的能级 角动量量子化：角动量量子化：电子轨道半径：电子轨道半径：第2页，共30页，编辑于2022年，星期一跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或

2、释放能量，变成另一能级。低低吸收光能量吸收光能量高高辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射光能量辐射光能量低低量子跃迁是量子力学的最基本概念量子跃迁是量子力学的最基本概念2.1.3 原子发光的机理原子发光的机理 非辐射跃迁：非辐射跃迁：在不同能级间跃迁并不伴随光的吸收或辐射。在不同能级间跃迁并不伴随光的吸收或辐射。第3页，共30页，编辑于2022年，星期一受激辐射概念的提出：受激辐射概念的提出：爱因斯坦爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。激辐

3、射。辐射的量子理论辐射的量子理论 2.2 2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收第二章 激光产生的基本原理第4页，共30页，编辑于2022年，星期一2.2.1 自发辐射自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场无关。只与原子本身性质有关，与辐射场无关。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：原子在能级原子在能级 的平均寿命（荧光寿命）的平均寿命（荧光寿命）如果存在向多个下能级的跃迁，则荧光寿命缩短如果存在向多个下能级的跃迁，则荧光寿命缩短如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。第5页，共30页，编辑于

4、2022年，星期一2.2.2 受激吸收受激吸收：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：第6页，共30页，编辑于2022年，星期一2.2.3 受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），具有受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），具有相同频

5、率、相位、波矢、偏振。受激辐射的光是相干光。相同频率、相位、波矢、偏振。受激辐射的光是相干光。受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关第7页，共30页，编辑于2022年，星期一2.2.4 爱因斯坦三系数爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系各能级上的原子数密度各能级上的原子数密度（集居数密度（集居数密度）玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布：能级能级 和和 的简并的简并度，度，或称统计权重或称统计权重热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率

6、吸收率（辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程.第8页，共30页，编辑于2022年，星期一与与Planck公式比较公式比较1.其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。2.热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。3.自发辐射的出现随自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，自发辐射而增

7、大，故波长越短，自发辐射几率越大。微波以受激辐射为主，普通光源以自发辐射为主。几率越大。微波以受激辐射为主，普通光源以自发辐射为主。第9页，共30页，编辑于2022年，星期一2.3.1 受激辐射光放大受激辐射光放大第二章 激光产生的基本原理2.3 2.3 激光产生的条件激光产生的条件 第10页，共30页，编辑于2022年，星期一受激辐射与受激吸收的矛盾 粒子数正常分布：粒子数正常分布：受激辐射：受激辐射：光子数光子数受激吸收：受激吸收：光子数光子数光强减弱光强减弱 例：例：T=300K时，时，在热平衡情况下，光波辐射以自发辐射为主。在热平衡情况下，光波辐射以自发辐射为主。另：受激辐射与自发辐射

8、关系：另：受激辐射与自发辐射关系：第11页，共30页，编辑于2022年，星期一1.集居数正常分布集居数正常分布2.3.2 集居数反转集居数反转克服受激辐射和受激吸收的矛盾 第二章 激光产生的基本原理受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。第12页，共30页，编辑于2022年，星期一受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。2.粒子数反转分布（集居数反转）粒子数反转分布（集居数反转）激光产生的必要条件：激光产生的必要条件：粒子数反转粒子数反转 泵浦（泵浦（Pumping）：）：（抽运

9、、激励）（抽运、激励）外界向物质提供能量外界向物质提供能量激活物质：激活物质：处于集居数反转状态的物质。处于集居数反转状态的物质。另外，激辐射大大超过自发辐射，使输出为相干光。另外，激辐射大大超过自发辐射，使输出为相干光。通过中间环节通过中间环节第13页，共30页，编辑于2022年，星期一2.3.3.激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统激光工作物质激光工作物质激活粒子：激活粒子：能够形成粒子数反转的发光粒子。能够形成粒子数反转的发光粒子。（可以是原子、分子、离子、准分子）（可以是原子、分子、离子、准分子）基质：基质：为激活粒子提供寄存场所的材料。为激活粒子提供寄存场所的材料。1.二能级系统二能

10、级系统二能级系统不能实现粒子数反转分布二能级系统不能实现粒子数反转分布第14页，共30页，编辑于2022年，星期一2.三能级系统三能级系统具有亚稳态的工作物质，才能实现粒子数反转。具有亚稳态的工作物质，才能实现粒子数反转。亚稳态：亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长）不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长）如：如：第15页，共30页，编辑于2022年，星期一受激吸收受激吸收泵浦泵浦无辐射跃迁无辐射跃迁放出能量放出能量形成粒子数反转形成粒子数反转受激辐射受激辐射发出激光发出激光EnergyLaser RadiationNFast transitionAbs.另一种形式：另一

11、种形式：发射激光发射激光第16页，共30页，编辑于2022年，星期一3.四能级系统四能级系统(a)Nd:YAG激光器激光器EnergyLaser RadiationNFast transitionAbsorptionFast transition(b)氦氖激光器氦氖激光器 四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少甚至没有，四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。第17页，共30页，编辑于2022年，星期一引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射受激辐

12、射受激辐射自发辐射自发辐射相干光子相干光子噪声光子噪声光子竞争状态竞争状态受激辐射为主：受激辐射为主：2.3.4 光的自激振荡光的自激振荡克服受激辐射和自发辐射的矛盾 1.光学谐振腔光学谐振腔 设想有长度足够大的激活介质：设想有长度足够大的激活介质：自发辐射为主自发辐射为主受激辐射为主受激辐射为主不断增大不断增大第18页，共30页，编辑于2022年，星期一第19页，共30页，编辑于2022年，星期一（1）光学谐振腔的构成：）光学谐振腔的构成：工作物质工作物质两块反射镜：两块反射镜：相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面（2）谐振腔对光束的方向选择性：）

13、谐振腔对光束的方向选择性：平行于轴线：平行于轴线：放大加强放大加强偏离轴向：偏离轴向：逸出腔外逸出腔外激光具有高度方向性激光具有高度方向性第20页，共30页，编辑于2022年，星期一1.增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；2.维持光振荡，输出稳定激光束；维持光振荡，输出稳定激光束；3.对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；4.选择激光频率。选择激光频率。（3）光学谐振腔的作用：）光学谐振腔的作用：第21页，共30页，编辑于2022年，星期一2.振荡条件振荡条件（1）增益系数增益系数增益

14、系数：增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增加的百分比。光通过单位长度激活物质后光强增加的百分比。描述光放大作用的大小描述光放大作用的大小第22页，共30页，编辑于2022年，星期一进一步讨论可知，增益系数还与光的频率有关。进一步讨论可知，增益系数还与光的频率有关。第23页，共30页，编辑于2022年，星期一（2）损耗系数损耗系数光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。（3）激光器中光强变化规律激光器中光强变化规律损耗因素：衍射、散射、透射、吸收等损耗因素：衍射、散射、透射、吸收等第24页，共30页，编辑于2022年，星期一（4）振荡条件（阈值条件

15、）振荡条件（阈值条件）激光器实现振荡所需要的最低条件第25页，共30页，编辑于2022年，星期一总结：激光产生的条件总结：激光产生的条件第二章 激光产生的基本原理（1）有提供放大作用的）有提供放大作用的增益介质增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。（2）有外界）有外界激励源激励源，使激光上、下能级之间产生集居数反转；使激光上、下能级之间产生集居数反转；（3）有激光）有激光谐振腔谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。振

16、荡。必要条件：粒子数反转，谐振腔必要条件：粒子数反转，谐振腔充分条件：阈值条件，增益饱和充分条件：阈值条件，增益饱和第26页，共30页，编辑于2022年，星期一第二章 激光产生的基本原理2.4 2.4 激光器的基本组成与分类激光器的基本组成与分类 通常激光器都是由三部分组成：通常激光器都是由三部分组成：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔 2.4.1 2.4.1 激光器的基本组成与分类激光器的基本组成与分类 2.4.2 激光工作物质 用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益

17、介质。也称为激光增益介质。第27页，共30页，编辑于2022年，星期一2.4.3 泵浦源作用：作用：对激光工作物质进行激励，将激活粒子对激光工作物质进行激励，将激活粒子 从基态抽运到从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。高能级，以实现粒子数反转。气体激光器气体放电激励示意图气体激光器气体放电激励示意图 对对激激光光工工作作物物质质的的要要求求：尽尽可可能能在在其其工工作作粒粒子子的的特特定定能能级级间间实实现现较较大大程程度度的的粒粒子子数数反反转转；使使这这种种反反转转在在整整个个激激光光发发射射作作用用过过程程中中尽尽可可能能有效地保持下去。有效地保持下去。泵浦方式：泵浦方式：1.光泵浦；

18、光泵浦；2.气体放电激励气体放电激励3.化学激励化学激励4.电子注入电子注入第28页，共30页，编辑于2022年，星期一2.4.4 光学谐振腔激光束的特性与谐振腔结构有着不可分割的联系激光束的特性与谐振腔结构有着不可分割的联系1.提供光学正反馈作用：提供光学正反馈作用：使受激辐射超过自发辐射。使受激辐射超过自发辐射。2.对振荡光束的控制作用：对振荡光束的控制作用：对振荡光束的方向和频率的限制对振荡光束的方向和频率的限制 两个因素两个因素反射镜面的反射率反射镜面的反射率反射镜的几何形状及其组合方式反射镜的几何形状及其组合方式（1）模式数目）模式数目（2）光束特性）光束特性（3）输出功率）输出功率

19、第29页，共30页，编辑于2022年，星期一2.4.5 激光器的分类一、按照激光工作物质分类一、按照激光工作物质分类1 1气体激光器气体激光器2 2固体激光器固体激光器3 3液体激光器液体激光器4 4自由电子激光器自由电子激光器5 5半导体激光器半导体激光器6 6光纤激光器光纤激光器二、按照激光器工作方式分类二、按照激光器工作方式分类1 1连续输出激光器（连续、准连续）连续输出激光器（连续、准连续）2 2脉冲输出激光器（单次、重复）脉冲输出激光器（单次、重复）三、其它方式分类三、其它方式分类调调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器等激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器等第30页，共30页，编辑于2022年，星期一