激光原理学习.pptx

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1、高高能能级级低低能能级级1.4.1.1 辐射产生的基本原理辐射产生的基本原理原子数按能级分布，热平衡时，单位体积内处于各原子数按能级分布，热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律:ENE2E1N2N1激光的基本原理1.4.1 激光的基本原理激光的基本原理第1页/共76页一、发光的物理机制一、发光的物理机制 发射光谱发射光谱 光源 发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光源发出的光是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出的电磁波。发光的物理机理 电子沿着一个个分立的轨道绕核旋转，当电子在确定的轨道上运动时，原子具有确定的能量。电子从一个轨

2、道跃迁到另一个轨道，原子或分子就从一个能态跃变到另一能态，同时伴随着能量的变化。电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。第2页/共76页E赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=1n=3n=2n=原子的不同能态用一个个分立的能级表示 第3页/共76页原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率收一个光子，频率辐射频率公式辐射频率公式波波列列长长 L=c每一个辐射光子称作一个波列每个波列持续时间约10-8s原子或分子的发光过程是彼此独立的、随机的光源发出的连续光波实际上是大量原子或

3、分子发光的总效果。相互独立的波列第4页/共76页.非相干（同一原子先后发出的光）非相干（不同原子发出的光）注：发射光谱原子发射光谱铁和其他元素的原子发射光谱图（上为铁谱，下为其他元素光谱）第5页/共76页原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志 分子发射光谱若干光谱带组成的带状光谱 分子光谱分子能级结构非常复杂分子的能量能级间隔满足 分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级间的跃迁发出中红外辐射；而电子能级间的跃迁发出可见光和紫外辐射。第6页/共76页二、发光过程的类型按照激发方式分类热辐射 太阳、白炽灯等电致发光 闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等

4、光致发光 日光灯、荧光、磷光等化学发光 燃烧发光、生物发光等白天和夜晚分别拍摄的发光真菌第7页/共76页受激吸收自发辐射受激辐射光子与原子分子 相互作用离子三三.光与物质相互作用光与物质相互作用激激光光的的基基本本原原理理第8页/共76页1)受激吸收过程受激吸收过程外来光子:能级跃迁:三三.光与物质相互作用光与物质相互作用激激光光的的基基本本原原理理第9页/共76页受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数粒子体系在单位时间、单位体积内吸收的光子数B12 (21)N1低能级低能级E E1 1 1 1的粒子数密度的粒子数密度外来光场中频率 的能量密度W12=

5、B12 (21)受激吸收概率:激激光光的的基基本本原原理理第10页/共76页2)自发辐射过程自发辐射过程高能级上的粒子自发地自发地低能级跃迁跃迁激活粒子的平均寿命:2 2自发辐射概率为:激激光光的的基基本本原原理理第11页/共76页 设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为N2一般激发态粒子寿命:某些物质存在亚稳态能级:单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子数是：A21 N2自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数激激光光的的基基本本原原理理第12页/共76页3)受激辐射过程受激辐射过程趋近高能级趋近高能级E E2 2上的粒子时上的粒子时外来光子满足频率

6、条件外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级E E1 1发射一个全同光子发射一个全同光子(频率相同、频率相同、传播方向相同、传播方向相同、偏振方向相同）偏振方向相同）光光放放大大激激光光的的基基本本原原理理第13页/共76页B21 (21)N2 在光场 (21)作用下,单位时间、单位体积内受激辐射产生的光子数为:W21=B21 (21)受激辐射概率 受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数B21 (21)=B12 (21)跃迁概率相等:受激吸收 受激辐射同时存在激激光光的的基基本本原原理理第14页/共76页受激吸收总是占优势表现为光的吸收通

7、常情况下：N1 N2B21 (21)N1 B12 (21)N2 粒子数分布反转粒子数分布反转受激辐射占优势受激辐射占优势为得到光放大,必须使N2 N1激激光光的的基基本本原原理理视频第15页/共76页1)实现粒子数反转分布的条件实现粒子数反转分布的条件电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励(A)激励激励(又称泵浦又称泵浦)1.4.2 介质对光的增益作用介质对光的增益作用激激光光的的基基本本原原理理第16页/共76页光激励光激励光的光增益第17页/共76页电激励电激励激激光光的的基基本本原原理理第18页/共76页(B)合适的能级结构合适的能级结构 二能级系统二能级系统 用光泵的方法

8、不可能实现粒子数反转分布激激光光的的基基本本原原理理第19页/共76页二能级系统二能级系统*(光与粒子相互作用过程只涉及二个能级光与粒子相互作用过程只涉及二个能级)1.1.能级图能级图 约定约定:实线箭头代表辐射跃迁实线箭头代表辐射跃迁;虚线箭虚线箭头代表非辐射跃迁头代表非辐射跃迁。其中其中：W12受激吸收几率受激吸收几率(激励几率激励几率)W21受激发射几率受激发射几率 A21自发发射几率自发发射几率 21非辐射跃迁几率非辐射跃迁几率(热弛豫等热弛豫等,热弛豫即热运动热弛豫即热运动 碰撞交换能量碰撞交换能量)（双下标代表过程的量）第20页/共76页 2.2.速率方程速率方程:二能级系统只有二

9、能级系统只有1 1个独立的速率方程个独立的速率方程方程中的每一项方程中的每一项:某一过程的某一过程的几率几率与该过程始态能级上的粒子数之积与该过程始态能级上的粒子数之积 =该过程导致的粒子数变化率该过程导致的粒子数变化率(!)(!)能级能级E2上粒子数密度的变化率为上粒子数密度的变化率为：第一项第一项受激吸收引起的受激吸收引起的N2的增加率的增加率,取正号取正号 (过程几率与过程始态上粒子数的乘积过程几率与过程始态上粒子数的乘积););第二项第二项受激发射引起的受激发射引起的N2的减少率的减少率,取负号取负号;第三项第三项自发发射引起的自发发射引起的N2的减少率的减少率,取负号取负号;第四项第

10、四项非辐射跃迁引起的非辐射跃迁引起的N2的减少率的减少率,取负号。取负号。第21页/共76页若若W12=W21=W,则速率方程变为速率方程变为 3.3.稳定解稳定解(数学解数学解):):稳态下稳态下 ,故故 可见可见:对二能级系统对二能级系统,一般总有一般总有 ;仅当激励速率很大时仅当激励速率很大时 (),(),4.4.结论结论(物理解物理解):在光频区在光频区,二能级系统二能级系统不可能不可能实现粒子数反转实现粒子数反转第22页/共76页 三能级系统三能级系统三能级系统三能级系统 当当泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有可能使可能使 ,在能在能级级E E3 3 于于E E2 2 间实现粒子间

11、实现粒子数反转。数反转。激激光光的的基基本本原原理理E3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亚稳态能级亚稳态能级第23页/共76页三能级系统图三能级系统图:其中其中 E1基态能级基态能级,又是激光下能级又是激光下能级,也是抽运能级。也是抽运能级。E2激光上能级激光上能级,是亚稳能级是亚稳能级(2121小小)。E3抽运能级抽运能级,非辐射跃迁几率大非辐射跃迁几率大(3232大大(!)(!)其主要特征是激光的下能级为基态，其主要特征是激光的下能级为基态，极易积累粒子极易积累粒子(几乎聚集了所有粒子几乎聚集了所有粒子),),发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量发光过程中下

12、能级的粒子数一直保存有相当的数量,对抽运的要求很高对抽运的要求很高。所以不所以不易实现粒子数反转易实现粒子数反转.第24页/共76页在 E2 和E1 能级间也有可能实现粒子数反转。亚稳态能级亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N激激光光的的基基本本原原理理第25页/共76页红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。激激光光的的基基本本原原理理第26页/共76页 四能级系统四能级系统 比三能级系统容易实现粒子数反转分布。激激光光的的基基本本原原理理第27页/共

13、76页 由图可见由图可见:四能级系统要实现粒子数反转四能级系统要实现粒子数反转,只要求只要求N2N1而不必令而不必令N2 N0,而而N0则是则是极易积累的基态粒子数极易积累的基态粒子数。E0:基能级基能级/光抽运能级光抽运能级E1:不是基态能级，而是一个激发态能不是基态能级，而是一个激发态能,是是激光下能级激光下能级,10小小 而而10大大(迅速弛豫到迅速弛豫到E0,抽空抽空E1,减少减少N1)在常温下基本上是空的。在常温下基本上是空的。E2:激光上能级激光上能级/亚稳能级亚稳能级(易积累易积累N2)E3:光抽运能级光抽运能级,32小而小而32 大大(迅速迅速弛豫弛豫到到E2)四能级系统图四能

14、级系统图:第28页/共76页 氦氖气体激光器是四能级系统氖原子在 间实现粒子数反转分布激激光光的的基基本本原原理理s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电子碰撞激发电子碰撞激发电电子子碰激激发发管壁效应管壁效应自发辐射自发辐射632.8 nm共振转移第29页/共76页 由图可见由图可见:四能级系统要实现粒子数反转四能级系统要实现粒子数反转,只要求只要求N2N1而不必令而不必令N2 N0,而而N0则是则是极易积累的基态粒子数极易积累的基态粒子数。E0:基能级基能级/光抽运能级光抽运能级E1:不是基态能级，而是一个激发态能不是基态能级，而是一个激发态能,是是激光下能级激光下能级,10小小 而

15、而10大大(迅速弛豫到迅速弛豫到E0,抽空抽空E1,减少减少N1)在常温下基本上是空的。在常温下基本上是空的。E2:激光上能级激光上能级/亚稳能级亚稳能级(易积累易积累n2)E3:光抽运能级光抽运能级,32小而小而32 大大(迅速迅速弛豫弛豫到到E2)四能级系统图四能级系统图:第30页/共76页 3.3.激光下能级粒子数与基态粒子数的比较激光下能级粒子数与基态粒子数的比较:实例实例:(:(三价钕离子三价钕离子),而常温下而常温下(T=300K)即第31页/共76页zdz增益介质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质2)介质的增益作用介质的增益作用zdI(z)z z+dzL通过增益

16、介质后,光强随距离增长介质对光的增益系数激激光光的的基基本本原原理理第32页/共76页1.4.3 1.4.3 谐振腔及阈值条件谐振腔及阈值条件第33页/共76页光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜M1部分反射镜M2激光工作物质作用选择激光的方向选择激光的频率激励能源激励能源第34页/共76页激光工作物质全反射镜半反射镜工作原理：out光放大原理第35页/共76页光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用1)1)1)1)提供光学正反馈，实现光放大提供光学正反馈，实现光放大 。2)2)2)2)提高激光的方向性。提高激光的方向性。3)3)3)3)具有

17、选频作用，提高激光的单色性。具有选频作用，提高激光的单色性。第36页/共76页He-Ne激光器的工作原理激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔 光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。反射镜反射镜阳极阴极布儒斯特窗毛细管工作物质：氦气辅助物质：氖气激励方式：直流气体放电第37页/共76页He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 电子碰撞He21s23s碰撞亚稳态Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 电子经电场加速后，与电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的碰撞。处于激发态的 He 与与 Ne 碰

18、撞，把能量传碰撞，把能量传递给递给 Ne，使它在亚稳态，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。之间形成反转分布。第38页/共76页一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔。光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用光学谐振腔激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：2nL=q =q c 2nL L:腔长 n:气体折射率第39页/共76页可见，它只与谐振腔长度和折射率有关。可见，它只与谐振腔长度和折射率有关。根据根据上式，纵模间隔为，纵模间隔为第40页/共76页激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提供

19、了供了增益增益，其增益曲线如图中的虚线所示。，其增益曲线如图中的虚线所示。AI0vvv1/2BC振荡阈值振荡阈值增益曲线增益曲线第41页/共76页LED与与LD的光谱比较的光谱比较LEDF-P腔滤波器腔滤波器F-P的谐振波长的谐振波长DlDl为谐振峰的间隔：为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽自由谱宽频域采样频域采样第42页/共76页单纵模激光器单纵模激光器式子和光谱图表明：式子和光谱图表明：实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间 的波长间隔，使的波长间隔，使DlDl大于增益线宽大于增益线宽(即增加滤波器自由谱宽即增加滤波器自由谱宽)l增

20、益线宽第43页/共76页 以频率表示，相应的谱线宽度为以频率表示，相应的谱线宽度为由上式可见，由上式可见，谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谱线宽度越小谱线宽度越小。例如，一支例如，一支He-Ne 激光器激光器，L=1m，R=98，可算出可算出v1/2=1 MHz。单纵模线宽第44页/共76页振荡模式振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。1.纵模纵模 能引起振荡的频率关系2.横模横模 光场在横向不同的稳定分布。光学谐振腔

21、第45页/共76页IxyITEM00横模横模IyIxTEM10yIIxTEM11光学谐振腔第46页/共76页横模横模每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小1)与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2)工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等抑制横模的数量抑制横模的数量-增加输出光的亮度、减小发散角增加输出光的亮度、减小发散角第47页/共76页(1)要有适当的激光工作物质要有适当的激光工作物质(2)要有外界激励源要有外界激励源(3)要

22、有激光谐振腔要有激光谐振腔激光形成的基本条件激光形成的基本条件1.激光形成的基本条件激光形成的基本条件产生激光的条件第48页/共76页2.激光形成的阈值条件激光形成的阈值条件光在谐振腔内受到各种损耗:(1)反射镜的透射损耗(2)谐振腔的内部损耗I3I1I0rr12内内I4I2光在腔内往返一次不会被衰减的条件，即形成激光振荡的阈值条件：内内阈阈内内产生激光的条件第49页/共76页激光器及激光技术激光器及激光技术第50页/共76页1.激光器的组成激光器的组成谐振腔谐振腔工作物质工作物质工作物质工作物质激励系统激励系统激励系统激励系统激光器第51页/共76页固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液

23、体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器按工作物质分类按工作物质分类2.激光器的分类激光器的分类激光器第52页/共76页气体激光器气体激光器工作物质：原子气体、分子气体和离子气体工作物质：原子气体、分子气体和离子气体氦氖激光器氦氖激光器氩离子激光器氩离子激光器第53页/共76页二氧化碳激光器第54页/共76页液体激光器液体激光器工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。染料激光器染料激光器第55页/共76页红 宝 石 激 光 器 第56页/共76页半导体激光器第57页/共76页紫外激光器紫外激光器可见光激光器可见光激光器红外激光器红外激光器按波段范围分类

24、按波段范围分类激光器脉冲激光器脉冲激光器连续波激光器连续波激光器按运转方式分类按运转方式分类第58页/共76页激光的特性激光的特性1 1、方向性好。、方向性好。2 2、单色性好。、单色性好。3 3、相干性好。、相干性好。4 4、能量集中。、能量集中。第59页/共76页激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级，对应的主体角在10-6sr量级。普通光源发出的光辐射沿4 立体角分布，比激光束大106倍。激光束是高度平行的光束。1.方向性好方向性好激光的特性第60页/共76页方向性好 第61页/共76页光波的单色性可表示为 氦氖激光的单色性比单色性最好的普通光源，如氪灯好 倍。谱线宽度中心

25、波长=2.单色性好单色性好激光的特性第62页/共76页单色性好第63页/共76页3.亮度高亮度高 激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用 开关的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。激光的特性第64页/共76页高亮度第65页/共76页 由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性。特制的氦 氖激光器输出的光束，相干长度达2 107km。氪灯只有38.5cm。4.相干性好相干性好激光的特性第66页/共76页激 光 的 空 间 相 干 性 第67页/共76页激光的时间相干性

26、第68页/共76页1.激光加工激光加工 利用聚焦激光束具有极高功率密度的特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、划片、雕刻、去重和热处理。优点：无实体接触、加工精度高(1 m以下)、畸变小、节能。2.激光精密计量激光精密计量 激光的单色性好，相干性强，用作计量检测，具有很高的精度。激光的应用激光应用：激光应用：第69页/共76页3.激光信息处理激光信息处理 激光的相干性好，用它作为光源，能够使存储、传递、处理信息的容量和速度大幅度增加。激光的应用第70页/共76页4.激光在科学实验上的应用激光在科学实验上的应用 由于激光具有优异的特性，激光技术已成为整个科学技术领域强有力的研究工具。20世纪80

27、年代，激光冷却和捕陷原子在理论和实践上取得重大突破。激光的应用第71页/共76页思考题：1.自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同时发出一个光子，这一过程叫做自发辐射。若处在高能级的粒子，在一个能量等于两能级之差（E2-E1）的光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一个光子，这一过程称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射光是相干光。受激辐射光加上原来的外来光，使光在传播方向上光强得到放大。第72页/共76页2.激光工作物质在热平衡情况下能否实现粒子数反转分布?怎样能实现粒子数反转?不能。在热平衡条件下

28、，粒子数的分布服从玻耳兹曼分布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子数。借助于外界的激励能源（为电激励,光激励,化学激励等能源），打破激活介质热平衡时的粒子数分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数。这种激活介质要具有合适的能级结构。3.激光器有哪几个基本组成部分?(1)激活介质(2)激励能源(3)光学谐振激光器一般有三个基本组成部分：第73页/共76页4.概括光学谐振腔的作用。（1）维持光振荡（2）选择激光的方向性（3）提高激光的单色性。5.何谓激光的纵模和横模?由于激光器输出的每一个谐振频率的光，因其光强是沿纵向（腔轴方向）分布的驻波场。一般激光器是多纵模输出，如果采取措施，可以输出单纵模，大大提高激光色性。激光在垂直于腔轴的横截面上形成的稳定的光强分布，称激光的横模。第74页/共76页6.激光束有哪些特点?（1）光能量在空间和时间上高度集中（2）相干性好（3）方向性好7.设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n 1,试求纵模频率间隔各为多少?据:第75页/共76页感谢您的观看！第76页/共76页