激光原理課件教學(xué)課件

1、2. 單色性好單色性好激光原理激光原理 . 緒論緒論3. 能量集中能量集中4. 相干性好相干性好激光原理激光原理 . 緒論緒論空間高度集中：空間高度集中：亮度比太陽表面高亮度比太陽表面高 倍。倍。時間高度集中：時間高度集中：功率峰值為功率峰值為 瓦。瓦。 10101210二、激光的應(yīng)用二、激光的應(yīng)用1. 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用精密測量精密測量(距離、位移距離、位移)激光加工激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻切割、焊接、打孔、雕刻)光譜分析光譜分析2. 醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用眼科眼科普通外科普通外科牙科牙科皮膚科皮膚科激光原理激光原理 . 緒論緒論3. 軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用激光制導(dǎo)激光制導(dǎo)激光測距激光測距激光偵察

2、激光偵察大氣激光通信大氣激光通信激光原理激光原理 . 緒論緒論激光武器激光武器激光原理激光原理 . 緒論緒論4. 日常應(yīng)用日常應(yīng)用激光打印機激光打印機電腦光驅(qū)電腦光驅(qū)CD/VCD條形碼掃描器條形碼掃描器激光防偽激光防偽激光霓虹燈激光霓虹燈激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理激光原理 . 緒論緒論5. 通信領(lǐng)域的應(yīng)用通信領(lǐng)域的應(yīng)用（1）空間激光通信）空間激光通信激光原理激光原理 . 緒論緒論（2）光纖通信）光纖通信激光原理激光原理 . 緒論緒論光纖的優(yōu)越性：光纖的優(yōu)越性： 寬帶寬帶 不受電磁干擾不受電磁干擾 重量輕重量輕 低損耗低損耗光纖通信用光源：光纖通信用光源： 短距離通信用短距離通信用0

3、.85um0.85um；長距離通信用長距離通信用1.31um1.31um，1.55um 1.55um 光纖放大器：光纖放大器： 1.55um1.55um波段的摻鉺光纖放大器（波段的摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）；）；1.31um1.31um的摻鐠光纖放大器（的摻鐠光纖放大器（PDFAPDFA）；）；1.271.271.67um1.67um全光波段的拉曼放大器（全光波段的拉曼放大器（RFARFA） 1480nm1480nm和和980nm980nm波長的半導(dǎo)體激光器是波長的半導(dǎo)體激光器是EDFAEDFA的的泵浦光源泵浦光源 三、激光技術(shù)發(fā)展史三、激光技術(shù)發(fā)展史1.1.19171917年：年：愛

4、因斯坦在愛因斯坦在關(guān)于輻射的量子力學(xué)關(guān)于輻射的量子力學(xué)一文預(yù)言了一文預(yù)言了 原子受激輻射發(fā)光的可能性，即存在激光的可能性原子受激輻射發(fā)光的可能性，即存在激光的可能性; ;2. 20世紀(jì)世紀(jì)50年代：年代：湯斯和肖洛的光激射器理論；湯斯和肖洛的光激射器理論； 激光器方案的提出；激光器方案的提出；3. 1960年：年：梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一臺激光器；制成世界上第一臺激光器；4.4.19601960年至今：年至今：激光技術(shù)飛速發(fā)展。激光技術(shù)飛速發(fā)展。四、四、 Laser “激光激光”Laser“通過受激輻射實現(xiàn)光放大通過受激輻射實現(xiàn)光放大”Light Amplification of

5、 Stimulated Emission of Radiation激光原理激光原理 . 緒論緒論五、激光器種類五、激光器種類根據(jù)根據(jù)工作物質(zhì)工作物質(zhì)固體激光器固體激光器氣體激光器氣體激光器液體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器：紅寶石，：紅寶石，Nd:YAGNd:YAG，釹玻璃，釹玻璃：HeNeHeNe，COCO2 2，離子激光器，離子激光器：染料激光器：染料激光器激光原理激光原理 . 緒論緒論第一章第一章 激光的基本原理激光的基本原理1.1 相干性的光子描述相干性的光子描述光波模式、光子狀態(tài)、相格、相干體積光波模式、光子狀態(tài)、相格、相干體積一、光波模式與光子態(tài)一、光波模式與光子態(tài)光的波

6、粒二象性光的波粒二象性波動說波動說微粒說微粒說激光原理激光原理 . 第一章第一章電磁理論電磁理論波動屬性：波動屬性：光波模式光波模式光子理論光子理論粒子屬性：粒子屬性： 光子態(tài)光子態(tài)1. 光波模式（用波動觀點求光波模式數(shù)）光波模式（用波動觀點求光波模式數(shù)）波矢：波矢：0kkn 2/k 0n ：波的傳播方向：波的傳播方向一個波矢對應(yīng)兩個光波模式一個波矢對應(yīng)兩個光波模式激光原理激光原理 . 第一章第一章有限空間有限空間V內(nèi)：內(nèi)：存在具有特定波矢的單色平面駐波。存在具有特定波矢的單色平面駐波。Vx y z 駐波條件駐波條件222xmynzq m、n、q為正整數(shù)為正整數(shù)激光原理激光原理 . 第一章第一

7、章/ 2xy自由空間中：具有任意波矢的單色平面波都可能存在；自由空間中：具有任意波矢的單色平面波都可能存在；2/k 222xyzkkk 222xmynzq xyzkmxknykqz 每組每組m、n、q對應(yīng)一種光波模式對應(yīng)一種光波模式（含兩個偏振態(tài)）（含兩個偏振態(tài)）激光原理激光原理 . 第一章第一章相鄰模間隔：相鄰模間隔：,xyzkkkxyz波矢空間中每個光波模式所占體積：波矢空間中每個光波模式所占體積：zkykxkk33xyzkkkx y zV 第一象限中第一象限中 區(qū)間體積：區(qū)間體積：kkdk2211482k dkk dk此體積內(nèi)光波模式數(shù)：此體積內(nèi)光波模式數(shù)：2322122k dkk dk

8、VV 22kc 2 ddkc 激光原理激光原理 . 第一章第一章 V體積空腔內(nèi)，體積空腔內(nèi)， 頻率頻率 內(nèi)內(nèi) 光波模式數(shù)：光波模式數(shù)：d 238dMVc 2. 光子（狀）態(tài)：光子（狀）態(tài)：相空間：相空間：xyzxyzppp， ， ， ， ，空間坐標(biāo)空間坐標(biāo)動量動量相空間內(nèi)一點表示質(zhì)點的一個運動狀態(tài)。相空間內(nèi)一點表示質(zhì)點的一個運動狀態(tài)。測不準(zhǔn)關(guān)系：測不準(zhǔn)關(guān)系：3xyzx y z ppph 相格：相格：同一光子態(tài)的光子所占的相空間體積元。同一光子態(tài)的光子所占的相空間體積元。結(jié)論結(jié)論1：同一相格中的光子運動狀態(tài)無法區(qū)分，同一相格中的光子運動狀態(tài)無法區(qū)分， 它們屬于同一光子態(tài)。它們屬于同一光子態(tài)。33

9、xyzkkkx y zV 3xyzx y z ppph 2hPk 激光原理激光原理 . 第一章第一章結(jié)論結(jié)論2：一個光波模式一個光波模式 一個光子態(tài)。一個光子態(tài)。 二、光子的相干性二、光子的相干性相干光波：相干光波：頻率相同、振動方向一致、位相差恒定的兩束光波。頻率相同、振動方向一致、位相差恒定的兩束光波?？臻g相干性空間相干性相干長度：相干長度：沿傳播方向的相干長度。沿傳播方向的相干長度。相干面積：相干面積：垂直于光傳播方向截面上的相干面積。垂直于光傳播方向截面上的相干面積。相干體積：相干體積：空間體積空間體積 內(nèi)各點的光波場都具有明顯內(nèi)各點的光波場都具有明顯 的相干性，則的相干性，則 為相干

10、體積。為相干體積。cVcVcccVAL激光原理激光原理 . 第一章第一章( )I I2I0 1c ccL 單色性越好，相干性就越好單色性越好，相干性就越好激光原理激光原理 . 第一章第一章相干時間：相干時間：光沿傳播方向通過相干長度光沿傳播方向通過相干長度 所需的時間。所需的時間。cLccL c 由楊氏雙縫干涉實驗討論光波的相干體積：由楊氏雙縫干涉實驗討論光波的相干體積：兩光波場具有明顯相干性的條件：兩光波場具有明顯相干性的條件：12SS、xxLR xLR 22x 光源的相干面積光源的相干面積x 1S2SxLzRx激光原理激光原理 . 第一章第一章光源的相干體積：光源的相干體積：2332()c

11、ccccVAL 0hhPnPcc ，xyzhPPchPPchPPc 3323()xyzhPPPc322()ccx y zV 激光原理激光原理 . 第一章第一章結(jié)論結(jié)論3：相格的空間體積相格的空間體積 相干體積。相干體積。 相格空間體積相格空間體積結(jié)論：結(jié)論：處于同一相格中的光子數(shù)，處于同一相格中的光子數(shù)，三、光子簡并度三、光子簡并度n決定了相干光強，反映光源的單色亮度。決定了相干光強，反映光源的單色亮度。激光原理激光原理 . 第一章第一章一個光波模式所占空間體積一個光波模式所占空間體積 同一光子態(tài)所占空間體積同一光子態(tài)所占空間體積 相干體積相干體積 處于同一模式中的光子數(shù)，處于同一模式中的光子

12、數(shù)，處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)，處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)，處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。1.2 光的受激輻射基本概念光的受激輻射基本概念一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生普朗克普朗克1900年，輻射量子化假設(shè)；年，輻射量子化假設(shè)；波爾波爾1913年，原子中電子運動狀態(tài)的量子化假設(shè)；年，原子中電子運動狀態(tài)的量子化假設(shè)；愛因斯坦愛因斯坦1917年，提出受激輻射概念。年，提出受激輻射概念。1. 黑體輻射的黑體輻射的Planck公式：公式：任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。黑體：黑體：能夠完全吸收任何波長能夠完全吸收任

13、何波長 的電磁輻射的物體。的電磁輻射的物體。空腔輻射體空腔輻射體激光原理激光原理 . 第一章第一章熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：黑體吸收的輻射能量黑體吸收的輻射能量 黑體發(fā)出的輻射能量黑體發(fā)出的輻射能量 單色能量密度單色能量密度 ：dEdVd Planck輻射能量量子化假說：輻射能量量子化假說：黑體輻射黑體輻射Planck公式：公式：33811hKThnEce 激光原理激光原理 . 第一章第一章熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式上的平均能量到腔內(nèi)每個模式上的平均能量1hKThEe 腔內(nèi)單位體積中頻率處于腔內(nèi)單位體積中頻率處于 附近附近單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)單位頻率

14、間隔內(nèi)的光波模式數(shù)338MnVdc 2. 躍遷：躍遷：躍遷：躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：吸收躍遷： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 輻射躍遷：輻射躍遷：高高輻射能量輻射能量低低（自發(fā)輻射）（自發(fā)輻射）激光原理激光原理 . 第一章第一章3. 受激輻射：受激輻射：愛因斯坦愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達到熱平衡，還必須存在受激輻射。到熱平衡，還必須存在受激輻射。二、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射二、自發(fā)輻射

15、、受激吸收和受激輻射1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射2E1E發(fā)光前發(fā)光前h發(fā)光后發(fā)光后21hEE 激光原理激光原理 . 第一章第一章普通光源普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同振動方向、相位不一定相同為為非相干光非相干光。自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）：自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）：21A211SA 原子在能級原子在能級 的平均壽命的平均壽命2E只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場無關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場無關(guān)激光

16、原理激光原理 . 第一章第一章2. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收躍遷幾率：受激吸收躍遷幾率：1212WB 12B：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)激光原理激光原理 . 第一章第一章2E1E發(fā)光前發(fā)光前hh發(fā)光后發(fā)光后h21hEE 3. 受激輻射受激輻射當(dāng)外來光子的頻率滿足當(dāng)外來光子的頻率滿足 時，使原子中處于高時，使原子中處于高能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。21h

17、EE 21B：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)受激輻射躍遷幾率：受激輻射躍遷幾率：2121WB 與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)激光原理激光原理 . 第一章第一章三、愛因斯坦三系數(shù)三、愛因斯坦三系數(shù) 的相互關(guān)系的相互關(guān)系212112ABB、熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：輻射率輻射率 吸收率吸收率 （輻射場總光子數(shù)保持不變）（輻射場總光子數(shù)保持不變）玻爾茲曼統(tǒng)計分布：玻爾茲曼統(tǒng)計分布：221221112n An Bn B 各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）123nnn、 、2

18、1()2211EEKTnfenf 12ff、能級能級 和和 的簡并度，的簡并度， 或稱統(tǒng)計權(quán)重或稱統(tǒng)計權(quán)重1E2E激光原理激光原理 . 第一章第一章21211121212/( ,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 激光原理激光原理 . 第一章第一章與與Planck公式比較公式比較33811hKThce 3213211212128Ahn hBcB fB f 結(jié)論：結(jié)論：1. 其他條件相同時，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。其他條件相同時，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。2. 熱平衡狀態(tài)下，高能級上原子數(shù)少于低能級上原子數(shù)，故熱平衡狀態(tài)下，高能級上原子數(shù)少于低能級上原子數(shù)，故 正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補償。正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補償。四、受激輻射的相干性四、受激輻射的相干性自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：相互獨立、互不相關(guān)。相互獨立、互不相關(guān)。受激輻射：受激輻射：受激輻射產(chǎn)生