第1章激光基本性質(zhì)ppt課件

.,第一章激光基本原理,1光源的相干性,一、時間相干性相干時間,空間某點處兩個不同時刻的光場有相干性的最大時間間隔，即波列持續(xù)時間,2、大小,：光源的譜線寬度(線寬),證,0：光源的中心頻率,1、定義,(1)場時函數(shù):光場隨時間變化的函數(shù)關(guān)系,.,(2)場頻函數(shù)E():光場隨頻率變換的函數(shù)關(guān)系（場時函數(shù)的付里葉變換）,.,(3)強頻函數(shù)(光譜):光強隨頻率變換的函數(shù)關(guān)系(場頻函數(shù)的模平方),(4)線寬:強頻函數(shù)峰值一半所對應(yīng)的兩頻率之差,.,3、本質(zhì)反映光源的單色性,二、空間相干性,(2)大小,(1)定義某時刻沿光傳播方向兩個不同地點光場有相干性的最大空間間隔，即光波列長度,1、縱向空間相干性相干長度,c:光在真空中的速度,(3)本質(zhì)反映光源單色性,.,2、橫向空間相干性相干面積,(1)定義某時刻在與光傳播方向垂直的平面上使任意兩點光場有相干性的最大空間面積,(2)大小,:光波長，As:光源面積D:光源與平面距離,當(dāng)s2-s1=/2時,O處干涉條紋消失,證,.,.,.,.,.,.,.,.,3、本質(zhì)反映光源尺寸,.,三、光源單色性能參數(shù),1、定義,:光源譜線寬度,0:光源中心頻率,:光源波長范圍,0:光源中心波長,2、計算,證,證,.,例2,中心波長為0=0.5m的某光源單色性參數(shù)為R=10-5,求此光源的相干長度與相干時間,解,中心頻率為0=5108MHz的某光源,相干長度為1m,求此光源的單色性參數(shù)R及線寬,例1,解,.,例3,某光源面積為As=10cm2,波長為=5000,求距光源D=0.5m處的相干面積,解,例4,波長為=4000的光子,其單色性參數(shù)為R=10-5,求此光子的位置不確定量,解,.,2光波模式與光子態(tài),一、光波模式,2、光波矢量(k矢量),3、單色模密度,(1)定義,dM:dV體積中頻率為-+d內(nèi)的光波模式數(shù),可以存在于封閉腔內(nèi)的每一種單色平面駐波,(2)計算,1、定義,：光波等相位面?zhèn)鞑シ较虻膯挝皇噶?(3)單位sm-3,.,證,取長方體封閉腔，體積為v=xyz,(m、n、qZ),每個模式在k空間第一卦限內(nèi)對應(yīng)一個點,駐波條件:,每個模式在k空間占據(jù)體積為,kx:光波矢量的x分量，或光沿x傳播單位距離所產(chǎn)生的相移,.,k-k+dk內(nèi)的模式數(shù)：,-+d內(nèi)的模式數(shù)：,考慮到每個駐波有兩種不同的偏振態(tài)，故單色模密度為,4、光波模式的相干性,同一光波模式的光波是相干的,.,二、光子態(tài),1、光子性質(zhì),(1)具有三量（能量、動量、質(zhì)量）,(2)服從玻色-愛因斯坦分布,(3)具有兩種獨立的偏振態(tài),2、光子態(tài),無法區(qū)分的光子所處狀態(tài),同一狀態(tài)的光子數(shù)無限制,h=6.6310-34Js：普郎克常數(shù),.,4、光子態(tài)的相干性,同一光子態(tài)的光子是相干的,5、光子簡并度,(1)同一光子態(tài)的光子數(shù),(2)同一光波模式中的光子數(shù),3、光子態(tài)與光波模式的等價關(guān)系,(2)同一光波模式中的光子為相同光子態(tài),(1)同一光子態(tài)的光子屬于相同的光波模式,.,例1,求封閉腔在5000處的單色模密度,解,.,例2,求He-Ne激光器所發(fā)光子的能量、動量、質(zhì)量(光波長為6328),解,.,3自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收,一、黑體單色輻射能量密度(普郎克公式),dE:dV體積中頻率為-+d(-+d)內(nèi)的輻射能量,1、定義,2、計算,證,分配到每一個模式上的能量,k=1.3810-23焦/開:波爾茲曼常數(shù),T:溫度,或,或,.,3、單位u:Jsm-3,u:Jm-4,4、實驗定律,(1)斯特藩玻爾茲曼定律,輻射能量密度,(2)維恩定律,=5.6710-8w/m3K4斯特藩常數(shù),b=2.910-3mK維恩常數(shù),.,二、自發(fā)輻射躍遷,1、定義,發(fā)光粒子從高能級E2自發(fā)躍遷到低能級E1,并發(fā)射一個頻率為的光子,2、躍遷幾率(愛因斯坦系數(shù)),(1)定義,dn21:dt時間內(nèi)由E2躍遷到E1的粒子數(shù)密度,n2:E2能級的粒子數(shù)密度,(2)大小,2:能級壽命(E2能級上的粒子數(shù)由初始值減至其1/e所用時間),(Spontaneousemission),(3)單位：s-1,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,證,n2(t)=n2(0)-n21(t),A212=1,令則,.,三、受激輻射躍遷,1、定義,處于高能級E2的發(fā)光粒子在光子誘發(fā)下,躍遷到低能級E1,并發(fā)射一個與誘發(fā)光子同一光子態(tài)的光子,2、躍遷幾率,(1)定義,(2)大小,B21:愛因斯坦系數(shù)(m3J-1s-2或m3/Js2),(Stimulatedemission),(3)單位：s-1,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,四、受激吸收躍遷,1、定義,處于低能級E1的發(fā)光粒子吸收了光子后,躍遷到高能級E2,2、躍遷幾率,(1)定義,(2)大小,(Stimulatedabsorption),B12:愛因斯坦系數(shù)(m3J-1s-2或m3/Js2),(3)單位：s-1,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,五、愛因斯坦系數(shù)關(guān)系,證,(1)粒子數(shù)按能級分布,(2)熱平衡條件,.,(3)愛因斯坦系數(shù)關(guān)系,為使任意溫度下該式成立,.,例1,分別求氫原子在300K、30000K溫度下,處于基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)之比.氫原子能級計算公式為En=E1/n2,其中n為主量子數(shù),E1=-13.6ev為基態(tài)能級.,解,.,例2,紅寶石激光器中的發(fā)光粒子Cr+3的上能級壽命為2=3.310-3s,求自發(fā)輻射及受激輻射愛因斯坦系數(shù)A21和B21(=6943),解,.,例3,CO2激光器工作溫度為227,求諧振腔內(nèi)輻射場的單色能量密度u和受激輻射躍遷幾率W21(B21=61020m3/Js2,=10.6m),解,.,4激光基本知識,一、激光振蕩器與激光放大器,1、激光振蕩器(激光器),2、激光放大器,二、產(chǎn)生與放大激光的條件,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(上能級粒子數(shù)下能級粒子數(shù)),對輸入的弱激光進行放大,產(chǎn)生并輸出激光,.,2、泵浦源(光泵、放電管),對激光工作物質(zhì)進行激勵以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),3、諧振腔(半反鏡與全反鏡),(1)維持激光振蕩,(2)改善激光質(zhì)量如單色性、方向性,(1)激活粒子(分子、原子、離子)發(fā)光,(2)基質(zhì)寄存激活粒子的材料,1、激光工作物質(zhì),三、激光器構(gòu)造,.,四、激光器種類,1、氣體激光器,(1)He-Ne發(fā)光粒子為Ne原子,=6328(0.6328m,632.8nm),(2)CO2發(fā)光粒子為CO2分子,=10.6m(106000,10600nm),2、固體激光器,(1)紅寶石發(fā)光粒子為(鉻離子),光波長0.6943m,(2)YAG發(fā)光粒子為(釹離子),光波長1.06m,(1=10-10m,1m=10-6m,1nm=10-9m),.,3、液體激光器,4、半導(dǎo)體激光器,五、能級系統(tǒng),1、三能級(紅寶石),W13:泵浦幾率,S32:非輻射躍遷幾率,(1)側(cè)面發(fā)光,(2)垂直腔面發(fā)光,.,2、四能級(He-Ne、YAG、CO2),W14:泵浦幾率,S43、S21:非輻射躍遷幾率,六、激光特性,1、單色性好,2、方向性好,He-Ne激光器：R=10-12,氪燈：R=10-5,直徑1mm的He-Ne激光器：發(fā)散角=10-4rad,探照燈：發(fā)散角=0.5rad,.,4、亮度高,單位發(fā)光表面積在單位時間內(nèi)沿給定方向上單位立體角內(nèi)的發(fā)射能量大,3、相干性好,(1)時間相干性：單色性好,(2)空間相干性：激光照射區(qū)域內(nèi)任意兩點的光場是相干的,證,=0.5m,D=1m,As=1mm2,例,普通光源,激光器,.,5諧振腔基本知識,一、激光本征模式,1、本征縱模,存在於腔內(nèi)的每一種駐波光場,模序數(shù)q:沿腔軸線的光場節(jié)點數(shù),2、本征橫模,存在於腔內(nèi)的每一種橫向光場分布,模序數(shù)m、n:沿坐標(biāo)方向的光場節(jié)線或節(jié)圓數(shù),二、無源腔與有源腔,1、無源腔腔內(nèi)激光工作物質(zhì)未被激活,2、有源腔腔內(nèi)激光工作物質(zhì)已被激活,.,1、平均單程損耗率,(1)定義,I0:初始光強,I1:往返一周后的光強,(3)計算,衍射損耗,由于衍射作用反射鏡不能覆蓋衍射光而造成的損耗,(2)分類,選擇性損耗損耗大小與橫模有關(guān),如衍射損耗,非選擇性損耗損耗大小與橫模無關(guān),如輸出損耗,L:腔長,:光波長,a:反射鏡半徑,三、無源腔損耗,或,證,.,輸出損耗,證,設(shè)初始光強為I0,則單程光強為,由于反射鏡透射光而造成的損耗,r1、r2:兩反射鏡的反射率,T:半反鏡的透射率(r1=1,T=1-r20.05),或,.,證,設(shè)初始光強為I0,則往返一周光強為I1=I0r1r2,若r1=1,r2=1-T,當(dāng)T0.05,證,光往返m次用時,2、腔壽命,(1)定義腔內(nèi)光強從初始值衰減到它的1/e所用時間,(2)計算,L:腔的光學(xué)長度,c:真空光速,即,往返m次光強,往返1次光強,.,3、腔Q值,(1)定義,(2)計算,四、無源腔光強,1、往返m次,E:儲存在腔內(nèi)的總能量,P:單位時間損耗的能量,:光頻率,證,腔內(nèi)能量與光強：,t時刻腔內(nèi)損耗功率,:光子數(shù)密度,V:腔體積，n:介質(zhì)折射率,2、t時刻,.,五、無源腔本征縱模線寬,1、定義,由于無源腔存在損耗,使本征縱模譜線展寬后的線寬,2、計算,證,(1)場時函數(shù)E(t),(2)場頻函數(shù)E(),.,(3)強頻函數(shù)I(),(4)線寬,.,六、本征縱模頻間,相鄰兩個縱模的頻率間隔,2、計算,證,由駐波條件,得本征縱模的頻率為,1、定義,.,七、諧振腔的菲涅耳數(shù),1、定義,2、意義,(1)平均單程衍射損耗率的倒數(shù),(2)從鏡面中心看另一鏡面所分割的菲涅耳半波帶數(shù),證,.,(3)鏡面中心處的衍射光在腔內(nèi)的最大往返次數(shù),證,往返一次的偏移量,若往返F次逸出腔外，則,.,例1,諧振腔長L=50cm,固體激光介質(zhì)棒長l=30cm,折射率為n=1.6,求本征縱模的頻率間隔,解,L=0.31.6+(0.5-0.3)=0.68m,例2,諧振腔長L=50cm,反射