激光技术基础第二讲.ppt

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1、激光技术基础第二讲现在学习的是第1页，共38页三、光子的相干性三、光子的相干性光子态（光波模式）与光子的相干性光子态（光波模式）与光子的相干性光子相干性：光子相干性：在不同空间点上、在不同的时刻的光波长的某些特征（如：相位）的相关性相干体积：相干体积：垂直于光传播方向的截面上的相干面积沿传播方向的相干长度相干时间普通光源发光，是大量独立振子（如发光原子）的自发辐射。每个振子发出的光波是由持续一段时间t（或在空间占有长度c t的波列组成）。不同振子（及同一振子不同时刻）发出的光波的相位是随机变化的。独立独立(不同不同原子发的光原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)波列波列

2、I对于原子谱线，对于原子谱线，t即为原子的激发寿命即为原子的激发寿命频带宽度与相干时间频带宽度与相干时间相干长度即波列长度相干长度即波列长度现在学习的是第2页，共38页相干面积（空间相干性）相干面积（空间相干性）xS1S2RzLx杨氏双缝干涉由线度x的光源照明的S1和S2两点的光波具有明显相干性的条件:相干面积：物理意义：物理意义：若要求传播方向张角若要求传播方向张角内的光波相干，则光源的面积必须小于内的光波相干，则光源的面积必须小于(/)2。也就。也就是说光源相干面积是是说光源相干面积是(/)2。相干体积相干体积物理意义：物理意义：如果要求传播方向如果要求传播方向内并具有频带宽度内并具有频带

3、宽度的光波相干，则光源应局限在的光波相干，则光源应局限在空间体积空间体积Vcs之内之内现在学习的是第3页，共38页光子观点：光子观点：根据测不准关系，由面积为(x)2的光源发出动量为P的限于立体角内的光子，具有动量测不准量P。在很小的情况下，P各分量为：如果具有上述测不准量的光子处于同一相格之内，即处于同一个光子态，则光子占有的相格空间体积为：物理意义：物理意义：相格的空间体积和相干体积相等。如果光子属于同一光子态，则它们应该包相格的空间体积和相干体积相等。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。也就是说，属于同一光子态的光子是相干的。含在相干体积之内。也就是说，属于同一光子态的

4、光子是相干的。现在学习的是第4页，共38页结论：结论：1、相格空间体积以及一个光波模（或光子态）占有的空间体积都等于相干体积。2、属于同一状态的光子（或同一模式的光波）是相干的，不同状态的光子（或不同模式的光波）是不相干的现在学习的是第5页，共38页四、光子简并度四、光子简并度相干光强：相干光强：具有相干性的光波场的强度。好的相干光源应具有尽可能高的相干强度、足够大的相干面积和足够长的相干时间；好的相干光源应具有尽可能高的相干强度、足够大的相干面积和足够长的相干时间；对于普通光源，增大相干面积及增加相干时间和增大相干强度是矛盾的对于普通光源，增大相干面积及增加相干时间和增大相干强度是矛盾的激光

5、器是一种把光强和相干性两者统一起来的强相干光源激光器是一种把光强和相干性两者统一起来的强相干光源l相干强度决定于具有相干性光子的数目（或同态光子的数目）相干强度决定于具有相干性光子的数目（或同态光子的数目）l处于同一光子态的光子数称为处于同一光子态的光子数称为光子简并度光子简并度nl光子简并度：光子简并度：同态光子数同态光子数同一模式内的光子数同一模式内的光子数处于相干体积内的光子数处于相干体积内的光子数处于同一相格内的光子数处于同一相格内的光子数现在学习的是第6页，共38页1.2 光的受激辐射基本概念光的受激辐射基本概念激光器的物理基础：激光器的物理基础：光与物质的共振相互作用，特别是其中的

6、受激辐射过程光与物质的共振相互作用，特别是其中的受激辐射过程1917年，爱因斯坦在波尔的原子中电子运动状态量子化假设（年，爱因斯坦在波尔的原子中电子运动状态量子化假设（1913年提出）的基年提出）的基础上，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式（础上，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式（1900年提出），并在推导年提出），并在推导中提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。中提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。40年后，受激辐射概念在激光技术中得到应用年后，受激辐射概念在激光技术中得到应用现在学习的是第7页，共38页一、黑体辐射的普朗克公式一、黑体辐射的普

7、朗克公式黑体：黑体：能够吸收任何波长的电磁辐射能够吸收任何波长的电磁辐射电磁辐射除吸收外，黑体还会发出电磁辐射除吸收外，黑体还会发出电磁辐射热辐射或温度热辐射或温度辐射辐射黑体辐射：黑体辐射：黑体处于某一温度黑体处于某一温度T的热平衡情况下，它吸的热平衡情况下，它吸收和发出的辐射能量相等，即黑体与辐射收和发出的辐射能量相等，即黑体与辐射场之间处于能量（热）场之间处于能量（热）平衡状态。平衡状态。热平衡下，热平衡下，黑体腔内存在完全确定的辐射黑体腔内存在完全确定的辐射场场黑体辐射（或平衡辐射）。黑体辐射（或平衡辐射）。黑体辐射是（黑体辐射是（T,）的函数）的函数 (T,)单色能量密度：单色能量密

8、度：单位体积单位体积内，频内，频率处于率处于 附近的附近的单位频率间隔单位频率间隔中的电磁辐射能中的电磁辐射能量量现在学习的是第8页，共38页普朗克公式普朗克公式采用辐射能量量子化假设采用辐射能量量子化假设(波尔波尔1913年）解释黑体辐射分布规律年）解释黑体辐射分布规律在温度在温度T的热平衡下，黑体分配到每个模式上的平均能量为：的热平衡下，黑体分配到每个模式上的平均能量为：腔内的模式数腔内的模式数单位体积，单位频率间隔的光波模式数：单位体积，单位频率间隔的光波模式数：黑体辐射普朗克公式黑体辐射普朗克公式光波模式数光波模式数光子数（简并度）光子数（简并度）光子能量光子能量现在学习的是第9页，共

9、38页n对于黑体辐射，由于模的数目很大，在同一模上对于黑体辐射，由于模的数目很大，在同一模上的光子数目（简并度）很小。室温下的光子数目（简并度）很小。室温下n所谓激光就是在同一个模式上有很多光子，方法所谓激光就是在同一个模式上有很多光子，方法就是就是减少模式！减少模式！现在学习的是第10页，共38页二、受激辐射和自发辐射概念二、受激辐射和自发辐射概念(爱因斯坦爱因斯坦1917年）年）黑体辐射，实质上是辐射场和构成黑体的物质原子（或分黑体辐射，实质上是辐射场和构成黑体的物质原子（或分子、离子子、离子)相互作用的结果相互作用的结果能级：能级：原子（分子或离子）具有一系列不同的运动状态，每一种原子（

10、分子或离子）具有一系列不同的运动状态，每一种运动状态都有其确定的能量值。这些不同状态的能量值是分立的，运动状态都有其确定的能量值。这些不同状态的能量值是分立的，称为称为能级能级。基态：原子处于最低的能级状态 原子能级示意图原子能级示意图 E0基态 E1 E2 En 激发态 激发态：能量高于基态的其它能级状态 现在学习的是第11页，共38页1917年年,Einstein提出了粒子能级间的跃迁理论：提出了粒子能级间的跃迁理论：物质与辐射场的相互作用包含原子的物质与辐射场的相互作用包含原子的自发辐射跃迁、受自发辐射跃迁、受激辐射跃迁、受激吸收跃迁激辐射跃迁、受激吸收跃迁简化起见，我们只考虑原子的两个

11、能级E1,E2，并有现在学习的是第12页，共38页1、自发辐射自发辐射：在没有外来光子的情况下，原子自发跃迁发出的光子。N2 N1 E2 E1 自发地、各自独立地、彼此无关地、无规律地N2 N1 E2 E1 现在学习的是第13页，共38页自发辐射跃迁几率（自发辐射爱因斯坦系数）A21：A21 单位时间内，n2个高能态原子中发生 自发辐射跃迁的原子数与n2的比值。单位时间、单位体积内自发辐射的光子数现在学习的是第14页，共38页 E2能级上的粒子随时间按指数规律衰减 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命s 呈倒数关系（s 可实验测量）A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关()()的倒数能级

12、寿命自发辐射几率s21A现在学习的是第15页，共38页2、受激吸收 如果黑体只包含自发跃迁过程，是不能维持腔内辐射场的稳定性。如果黑体只包含自发跃迁过程，是不能维持腔内辐射场的稳定性。因此，因此，爱因斯坦认为，爱因斯坦认为，必然还存在一种原子在辐射场的作用下的受必然还存在一种原子在辐射场的作用下的受激跃迁过程，激跃迁过程，从而第一次从理论上预研了受激辐射的存在。从而第一次从理论上预研了受激辐射的存在。N2 N1 E2 E1=h=E2-E1原子受外来光作用，完全吸收外来光子，并跃迁到E2能级。受激吸收跃迁几率W12：B12受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子性质有关W12=B12 不同于A21，受

13、激跃迁与外来光有关现在学习的是第16页，共38页N2 N1 E2 E1=h=E2-E1外来光子 E2能级的原子受到外来光的激励，而跃迁到能级E1上，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。3、受激辐射受激吸收的反过程受激吸收的反过程受激辐射跃迁几率W21：单位时间、单位体积受激辐射的光子数。W21=B21 受激辐射与外来光有关B21受激辐射跃迁爱因斯坦系数现在学习的是第17页，共38页总结总结单色能量密度 (J m-3 s)受激吸收几率 W12受激辐射几率 W21自发辐射几率 A21现在学习的是第18页，共38页二、二、A21、B21、B12的相互关系的相互关系基础：热平衡，热平衡标志1、腔内存

14、在着有普朗克公式表示的热平衡黑体辐射f1,f2分别为能级E1和E2的统计权重3、热平衡下，n2(或n1）应保持不变，于是：2、腔内物质原子数按能级分布服从热平衡状态下的玻耳兹曼分布现在学习的是第19页，共38页得：当T时，上式仍应成立，有代入上式，有：爱因斯坦系数基本关系式当统计权重 时注：爱因斯坦系数关系式虽然是在热平衡情况下推导的，但用量子电动力学可以证明其普适性现在学习的是第20页，共38页二、受激辐射的相干性二、受激辐射的相干性n受激辐射与自发辐射的重要区别相干性自发辐射自发辐射自发辐射是原子不受外界辐射场控制下的自发过程，因此大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布，因而是不相干的。自

15、发辐射场的传播方向、偏振方向也是无规则分布的。自发辐射平均地分配到腔内所有模式上受激辐射受激辐射受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程。量子电动力学可以证明：l受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态l或者说，受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，属于同一模式l特别地，大量原子在同一辐射场的激励下产生的受激辐射处于同一光波模或同一光子态，是相干的现代量子电子学（包括激光与微波激射）的出发点l激光就是一种受激辐射相干光现在学习的是第21页，共38页1.3 1.3 光的受激辐射放大光的受激辐射放大1.3 1.3 光的受激辐射放大光的受激辐射放大一、光放大概念的产生

16、强相干光源：强相干光源：尽可能大的相干体积（或相干长度）内有尽可能强的相干光尽可能大的相干体积（或相干长度）内有尽可能强的相干光普通光源的相干性限制：黑体辐射源的光子简并度在室温T300K下，对30cm的微波辐射，相干光源对60m的远红外辐射，对0.60m的可见光，完全非相干光对1m的光，要使 ，要求黑体温度高达50 000K普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源现在学习的是第22页，共38页激光思想：物理意义：物理意义：总的光子简并度取决于受激辐射和自发辐射的比总的光子简并度取决于受激辐射和自发辐射的比对腔内的每一特定光子态（或光波模）均成立对腔内的每一特定光子态（或光波模）均成立激光

17、思想：激光思想：创造一种情况，使腔内某一特定（或少数几个）模式的某一特定（或少数几个）模式的 大大增加大大增加，而其它模式的很小，就能在这一特定（或少数）模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射集中在某一特定模式（或少数几个）模式内，而不是均匀分配在所有的模式内。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现在学习的是第23页，共38页实现方法：实现方法：技术思想的重大突破：封闭腔 开放式光谐振腔光谐振腔选模：光谐振腔选模：开放式光谐振腔由两块平行平面反射镜（Fabry-Perot干涉滤波）完成，使特定（轴向）模式的增加,其它模 式(非轴向)逸出腔外；光谐振腔有选

18、模作用，是构成激光器的主要部光谐振腔有选模作用，是构成激光器的主要部分。分。受激光放大：受激光放大：沿轴向传播的光多次得到受激放大，不断增强，从而轴向模获得极高的光子简并度 轴向模轴向模F-P 光谐振腔核心思想：核心思想：现在学习的是第24页，共38页二、实现光放大的条件二、实现光放大的条件玻耳兹曼统计分布（简化起见，令玻耳兹曼统计分布（简化起见，令f1=f2）因E2E1，故n2受激辐射光子数n2W21，因此，热平衡下物质只能吸收光子En常温下，Bolzman分布反转分布光放大：光放大：n2n1集居数反转（粒子数反转），受激辐射占主导。泵浦：泵浦：热平衡下，粒子数反转不可能，只有在外界向物质提

19、供能量（激励或泵浦）的情况下，才可能打破热平衡，实现粒子数反转。粒子数反转是光放大的前提条件；泵浦（激励）是光放大的必要条件粒子数反转是光放大的前提条件；泵浦（激励）是光放大的必要条件现在学习的是第25页，共38页三、光放大物质的增益系数与增益曲线三、光放大物质的增益系数与增益曲线激活物质（激光介质）：激活物质（激光介质）：处于集居数反转状态的物资，一段激活物质就是一个光放大器增益（放大）系数增益（放大）系数g：光通过单位长度激活物质中光强增长的百分比n(z)净净STE光子数密度光子数密度0z增益介质I(z)I00zdz薄层增益系数正比于集居数差值增益系数正比于集居数差值现在学习的是第26页，

20、共38页 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 随着介质内光强不断增大，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？受激辐射消耗反转粒子数（注意前提条件）（注意前提条件）增益饱和效应：增益饱和效应：光强增大到一定程度一定程度,g 将随 I 的增大而减小现在学习的是第27页，共38页饱和光强 Is:增益系数（集居数差）减小3dB时的光强，其值由增益介质本身性质决定（4.5节讨论）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）现在学习的是第28页，共38页增益曲线 g(I)增益系数g(I

21、)相对于频率的分布。因为能级E2和能级E1由于各种原因(第四章详细讨论)总有一定宽度，所以在中心频率0(E2-E1)/h附近小范围内都有受激跃迁发生。增益宽度 :0g()现在学习的是第29页，共38页1.4 1.4 光的自激振荡光的自激振荡一、自激振荡概念一、自激振荡概念 (电路)自激振荡器必须具备的基本条件：同相；振幅平衡激光器 激光自激振荡器如何实现光的正反馈和稳定的振幅（光强）？光谐振腔光谐振腔介质的增益和增益的饱和介质的增益和增益的饱和增益和损耗 并存的介质中，光强的变化 损耗系数（负增益系数）损耗系数（负增益系数）：光通过单位长度激活物质中光强衰减的百分比现在学习的是第30页，共38

22、页设增益介质无限长，且增益与损耗并存起初，小信号放大极限值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 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 介质增益和增益饱和的平衡决定了激光工作物质的最后输出功率现在学习的是第31页，共38页如何使有限长增益介质成为如何使有限长增益介质成为“无限长无限长”光放大器光放大器 沿着腔轴的光在腔内多次往返无限长放大器自激振荡器谐振腔作用谐振腔作用:光学正反馈光学正反馈 模式选择模式选择,控制控制 r1r2激活介质激励能源光源气体放电电注入化学现在学习的是第32页，共38

23、页三、自激振荡条件三、自激振荡条件 阈值条件阈值条件r1r2腔内充满折射率为h，长度为L的介质g,I0I1d单程损耗因子阈值条件阈值条件或=d包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数均损耗系数激光器中各种损耗 (详见：P.28-32)r1r2 透射损耗透射损耗;衍射损耗衍射损耗;几何偏折损耗几何偏折损耗;吸收、散射损耗等吸收、散射损耗等现在学习的是第33页，共38页1.5 激光的特性激光的特性激光的四性：单色性、相干性、方向性和高亮度本质上，四性可归结为一性：高的光子简并度激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强缘由：受激辐射、光腔选模一、激光的空间相干

24、性和方向性一、激光的空间相干性和方向性光波场的空间分布：纵向光场分布E(z)纵模；横向光场分布E(x,y)横模横模：TEMmn横电磁波，m,n分别表示在x和y方向光场过零次数TEM00:基模现在学习的是第34页，共38页激光束的空间相干性和方向性与激光的横模结构相联系TEM00单横模激光：最高的空间相干性，最好的方向性多横模激光：由于不同模式的光波场不相干，空间相干程度减小，方向性变差方向性越好，空间相干程度越高方向性越好，空间相干程度越高提高激光的空间相干性：1、限制激光工作在TEM00单横模2、合理选择光腔类型以及增加腔长以提高方向性衍射限制：氦氖气体激光器：氦氖气体激光器：现在学习的是第

25、35页，共38页激光方向性与工作物质的类型和均匀性、光腔类型和腔长、泵浦方式以及激光器的工作状态有关气体激光器：103 rad（均匀性好、腔长长）He-Ne激光器：3104 rad固体激光器：102 rad半导体激光器(510)102 rad聚焦性能：现在学习的是第36页，共38页二、时间相干性和单色性二、时间相干性和单色性相干时间单色性对于单横模（TEM00）激光器，单色性取决于其纵模结构和模式的频带宽度多纵模激光，单色性较差；单纵模激光，单色性好一系列不稳定因素（如温度、振动、气流、泵浦等）将导致光腔谐振频率的不稳定，导致激光线宽增加，单色性变差。稳频可有效提高激光的单色性及时间相干性。现在学习的是第37页，共38页三、激光的高亮度（强相干性）三、激光的高亮度（强相干性）连续高功率输出：如气体激光器脉冲高功率：调Q、锁模、脉冲压缩对于基横模单模激光器，光源亮度与光子简并度的关系：激光是高简并度光源，因此具有高的亮度光源亮度：P-面元为s的光源在频带宽度、立体角内发射的光功率作业：作业：1-2,1-3,1-6现在学习的是第38页，共38页