激光简介.pdf

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1、 1 激 光 简 介 前言 普通光源-自发辐射 激光光源-受激辐射 激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation)。特点：相干性极好 时间相干性好（10-8 相干长度可达几十公里）;空间相干性好（有的激光波面 上各个点都是相干光源）。方向性极好（发散角10 4rad）脉冲瞬时功率大（可达10 14W）亮度极高 二种类：按工作物质分 2 固体（如红宝石 Al2O3）液体（如某些染料）气体（如 He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓 GaAs）按工作方式分 连续式（功率可达

2、104 W）脉冲式（瞬时功率可达 1014 W）三 波长：极紫外可见光亚毫米 (100 n m）（1.222 m m）粒子数按能级的统计分布 原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原 玻耳兹曼统计分布：kTEnneN 3 若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比 11212kTEEeNN 数量级估计 T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;故1105086011212.kTEEeeNN 要产生激光必须使原子激发，且 N2 N1,这称为粒子数反转(population inversion)。原子激发的几种基本方式：1气体放电激发 2

3、原子间碰撞激发 3光激发 2 自发辐射 受激辐射和吸收 一.自发辐射(spontaneous radiation)设 N1、N2 单 位 体 积 中 处 于 E1、E2 4 能级的原子数，单 位 体 积 中 单 位 时 间 内，从E2 E1 自发辐射的原子数：2自发21NdtdN 写成等式 221自发21NAdtdN 21自发辐射系数，是单个原子单位时间内 发生自发辐射过程的概率。二受激辐射(stimulated radiation)E1 E2 N2 N1 h E1 E2 N2 N1 h h h 全同 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。5 设（、）温度为 时,频率为 =(E2-E1)

4、/h 附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。单位体积中单位时间内，从 E E受激辐射 的原子数：2受激21N)T(dtdN、写成等式 221受激21NTBdtdN、B21受激辐射系数。令 W21=B21（、T）W 21单个原子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、相位及传播方向均相同 6 三.吸收(absorption)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E1E2的原子数：1吸收12NT,dtdN 写成等式 112吸收12NT,BdtdN B12吸收系数 令 W12=12 (、T)W12单个原子单位时间内发生吸收 过

5、程的概率。A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在 1年从理论上得出 E1 E2 N2 N1 h 7 B21 =B12 1233218BChA 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。3 粒子数反转 一.为何要粒子数反转 从 E2E1 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。221221受激21NWNT,BdtdN 112112吸收12NWNT,BdtdN 产生激光必须满足以下关系：没有实验家,理论家就会迷失方向，没有理论家,实验家就会迟疑不决。8 吸收12受激21dtdNdtdN 因 B21=B12 W21=W12 必须 N2 N1（粒

6、子数反转），即只有粒子数反转才能使受激辐射居于主导地位。为了促使非热平衡态即粒子数反转的出现，必须用一定的手段去激励原子体系。在气体激光器中采用“放电激励”，在固体或染料激光器中采用“(脉冲)光激励”。二粒子数反转举例 为了产生粒子数反转，需要三能级或 三能级以上的能级系统。上能级应为“亚稳态”自发辐射系数小、以便于粒子的积累；下能级不应是基态，而且对 各种激励方式统称为“泵浦”或“抽运”。9 下下能级的自发辐射要大，以便于实现上 能级对下能级的“粒子数反转”。例.He-Ne 气体激光器的粒子数反转及其 工作原理 He Ne 激光器中 He 是辅助物质、Ne 是激活物质，He 与Ne之比为51

7、到101。10 上图为 He 和 Ne 的有关能级图。Ne 可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0.、1.15m、3.39。由于电子的碰撞,He 被激发(到 23S 和 21S 能级)的概率比 Ne 原子被激发的概率大，而且 23S，21S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态，因此在He 的这两个激发态上集聚了较多的原子。又由于 Ne 的 5 S 和 4 S 与 He 的 21S 和 23S 的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”，即在碰撞中 He 把能量传递给 Ne而回到基态，而 Ne 则被激发到 5 S 或 4 S。要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设

8、法减少下能级的粒子数。现在，Ne 的 5 S 和或 4 S 也是亚稳态，下能级 4 P，3 P 的寿命比上能级5 S，4 S 要短得多，这样就有利于形成粒子数的反转。将放电管做得比较细（毛细管），可使原子与 11 管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 S 态的 Ne 原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态，以及时减少 3 S 态的 Ne 原子数，有利于激光下能级 4 P 与 3 P 态的抽空。4 增益系数 激光器内受激辐射光来回传播时，并存着：增益与损耗两种因素。增益光的放大;损耗光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射镜处的激光输出）等。一激光在工作物质内传播时的净增益 小型氦氖

9、激光管的数据：长14.6cm，直径2.5cm。重 70g;功率为 0.5mW。激光形成阶段：增益 损耗 激光稳定阶段：增益 损耗 12 设 x0 处，光强为 I0 x I x+dx I+d I 有 d I Idx 写成等式 d I =G I dx 定义：增益系数 G(gain coefficient)IdxdIG 即单位长度上光强增加的比例。一般 G 不是常数。为简单起见，先近似地认为 G是常数。有 xIIIdIGdx00 0IIlnGx GxeII0 13 二.考虑激光在两端反射镜处的损耗 R1、R2 左、右两端反射镜的反射率。I0激光从左反射镜出发时的光强。I1经过工作物质后，被右反射镜反

10、射出发时的光强。I2 再经过工作物质，并被左反射镜反射出发时的光强。显然有 I 1=R 2 I 0 eGL I 2=R 1 I 1 eGL=R 1 R 2 I 0 e2GL 须 I2 /I0 1 即 R1 R2 e2GL 1 或 mGRRlnLG21121 在激光形成阶段:14 式中 Gm称为阈值增益，即能产生激光的最小增益。当光强增大到一定数值后 须 I2 /I0 =1 即 mGRRlnLG21121 三.阈值条件 激光由形成阶段的 G Gm,到稳定阶段的 G=Gm，G 是在逐渐减小的，实际的增益系数 G 不是常量。当 I时，由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱和输出的增加，会使 G（负反

11、馈）。在激光稳定阶段:15 当光强增大到一定程度，G 下降到m时，增益=损耗，激光就达到稳定了。通常称 mGRRlnLG21121 为阈值条件(threshold condition)。5 光学谐振腔 纵膜与横模 (optical harmonic oscillator)(longitudinal mode and transverse mode)激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。一光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。激励能源 全反射镜 部分反射镜 激光 16 二光学谐振腔的选频 在光学谐振

12、腔内某些频率的光形成稳定的驻波。因为这些稳定驻波的频率与腔的纵向长度有关,所以这样的每一个振动模式称为一个“纵模”。此外,输出激光的光强沿腔的横向也有各种可能的稳定分布,这样的每一个横向的光强分布模式称为一个“横模”。选频之一：对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出其中一种跃迁。阈值条件为 21121RRlnLG 例如，若氦氖激光器 Ne原子的 06328m,1.15m,3.39m 的受激辐射光中,我们只让波长06328m 的光输出，可以利用阈值条件把其他波如果要提高输出激光的相干性，就要限制纵模频率和横模的模式。17 长的光抑制掉，方法是：控制1、2的大小来达到目的，对 0.632

13、8m1、R2大 Gm 小(易满足阈值条件，形成激光)；对 1.15 m、3.39m1、2小 Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。选频之二：对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。设氦氖激光器 Ne原子的 06328m 受激辐射光的谱线宽度为,如图所示。1.3109 Hz 由于 c 18 1071103103110632828921022.c)(c取绝对值 为何激光的谱线宽度只有108呢？由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有 光程 2kknL (k=1、2、3、)n谐振腔内媒质的折射率；k真空中的波长。可以存在的纵模频率为 nLckckk2 19 相邻两个

14、纵模频率的间隔为 nLck2 1；n1.0；c108 ms Zk.nLc8810511121032 由于氦氖激光器 0.6328m 谱线的宽度为 =13109 HZ 因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为 81051103189.Nk 要想减少输出纵膜的个数，甚至实现单纵膜输出，可采取以下措施：数量级估计 20 加大纵模频率间隔k，使区间中只存在一个纵模频率。比如管长从 1m 缩短到 10 c，即 L/10 则 k10 k 在 区间中，可能存在的纵模个数为 =如图所示。于是就获得了频率宽度非常窄的激光输出，极大地提高了 0.6328m 谱线的单色性。激光除了纵模之外，还有横模。某些激光横模的光

15、强分布如下图：21 基横模有以下特点：亮度高、发散角小、在激光光束的横截面上径向光强分布均匀、横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。除有特殊需要外，一般都选择基横模输出。小结：产生激光的必要条件.激活介质（有合适的能级结构，有合适的 亚稳态能级，能实现粒子数反转）；.激励能源（供给能量使原子激发,维持 粒子数反转状态，保证阈值条件满足）；.光学谐振腔（维持光振荡-光放大，使激光有良好的方向性和单色性）。22 6 激光的特性及其应用 一.利用激光高强度、良好的方向性 加工：钻孔（烧穿）：可高效率加工硬质合金、钻石等。焊接（烧熔）：迅速、非接触式。切割（连续打孔）：如芯片电路的 准确分割，调节精

16、密电阻，绘制 集成电路图，控制光栅刻机等。测量:准直；测距等。医疗：激光手术刀等。军事：激光制导；激光炮等。核技术：激光分离同位素；激光核聚变等。二.利用激光极好的相干性：方向性极好的强光束 相干性极好的光束 23 测量：精密测长、测厚、测角，测流速 （510 14ms10）；定向（激光陀螺）；测电流、电压（磁光效应）；激光雷达（分辨率高，可测云雾等）。探测：微电子器件表面探测；单原子探测（利用光谱分析能测 出2010个原子中的一个原子）等。全息技术：全息存储；全息摄影，全息电影等。激光光纤通讯：载波频率高（1110Hz1015）信息容量大，清晰，功耗小，抗干扰性强。三应用举例 例激光光纤通讯

17、 24 由于光波的频率比电波的频率高好几个数量 级,一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。我国已不再生产远程通讯用的电缆,改用光缆。例2.激光手术刀（不需开胸，不住院）照明束照亮视场；纤维镜(激光光纤)成象；有源纤维(强激光)使堵塞物熔化；附属通道（可充气或液）排除残物，以明视线；25 套环可充、放气，阻止血流或恢复血流。例 3激光原子力显微镜(AFM)激光原子力显微镜通过一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动来探测固体表面的情况。臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束 26 试样通常是微电子器件。探针尖端在工作时处于受迫振

18、动状态，其频率接近于探针的共振频率。探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯等吸引力的作用时，其共振频率将发生变化，因而振幅也随之改变。据此可探知试样表面的原子起伏情况。27 为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分为两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振幅的变化情况。通过这种方法，激光原子力显微镜可检测出尺度小至 5 毫微米的表面起伏变化。用于检查微电路成品，检查制作微电子电路用的硅表面的质量。随着微电子电路的线宽缩小到几百毫微米而厚度减小到几十毫微米，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。例 4半导体激光器(在固体部分学)(本部分编者:华基美)