激光脈沖技術(shù)PPT課件

1、 主要內(nèi)容 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論激光產(chǎn)生與傳播基礎(chǔ) 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點(diǎn) 3.6 激光器的種類 3.7激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù) 3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)第1頁(yè)/共111頁(yè) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 如同電子學(xué)中的電源一樣，光電子學(xué)中第一個(gè)接觸的便是光源。光源器件主要是指電光變換器件，分成相干光源和非相干光源，如表3-1。各種小型光源發(fā)光二極管（信息處理用光源發(fā)光二極管顯示器場(chǎng)致發(fā)光液晶顯示器熒光顯示器等離子體管陰極射線管顯示光源燈）本征場(chǎng)致發(fā)光燈（固體白熾燈

2、氣體放電燈、熒光燈照明光源非相干光源激光的和頻與差頻激光產(chǎn)生高次諧波光參量振蕩非線性光學(xué)器件子體體激光器激光相干光源器件源光LED)()(激光器等離半導(dǎo)染料激光器固體激光器氣體激光器LEDEL表表3-1 光源器件分類光源器件分類著重由電轉(zhuǎn)換成光的能量轉(zhuǎn)換效率和顏色著重顯示圖象的清晰度、對(duì)比度、色彩飽和度等著重光的單色性和高速脈沖性第2頁(yè)/共111頁(yè) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 特點(diǎn)：特點(diǎn)：n各原子自發(fā)輻射的光波方向、頻率及各原子自發(fā)輻射的光波方向、頻率及 相位等都是不確定的、分散的相位等都是不確定的、分散的 （與人為形成且相位一致的電波相比）與人為形成且相位一致的電波相比） 方向：四面

3、八方無(wú)規(guī)則輻射方向：四面八方無(wú)規(guī)則輻射 頻譜：如同火花放電，是白噪聲；頻譜：如同火花放電，是白噪聲； 連續(xù)性：無(wú)數(shù)衰減脈沖光的集合連續(xù)性：無(wú)數(shù)衰減脈沖光的集合(圖圖(a) 強(qiáng)度：光波亮度很低強(qiáng)度：光波亮度很低雜亂無(wú)章的噪聲光雜亂無(wú)章的噪聲光傳輸衰減，出射光強(qiáng)恒小于入射光強(qiáng)。傳輸衰減，出射光強(qiáng)恒小于入射光強(qiáng)。最早利用電作光源的是炭弧燈。最早利用電作光源的是炭弧燈。(a)普通光源產(chǎn)生的非相干光非相干光源非相干光源來(lái)源：原子或分子體系的自發(fā)輻射來(lái)源：原子或分子體系的自發(fā)輻射第3頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光非相干光源 1878年12月，英國(guó) 斯萬(wàn)（Swan）發(fā)明電燈泡。 1879年

4、10月，美國(guó) 愛迪生（Edison）質(zhì)量更好的電燈泡。 1938年，美國(guó) 紐曼（Neuman）等 研制成熒光燈 目前, 呈現(xiàn)固體燈取代熒光燈的趨勢(shì)。 固體燈：利用超高亮度白光二極管或其他場(chǎng)致發(fā)光管制作 優(yōu)點(diǎn)：體積小、轉(zhuǎn)換效率高、耗電省、加壓低 應(yīng)用：已有交通燈、路標(biāo)、宣傳、廣告牌等 家用燈樣品正走向?qū)嵱?。?頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光相干光源 特點(diǎn)： 方向：發(fā)散很小 頻譜：?jiǎn)我?連續(xù)性：無(wú)限連續(xù) 亮度：極高 在時(shí)間、空間上相位同步 傳輸增益，出射光強(qiáng)增強(qiáng)激光器激光器非線性光源非線性光源 (b)激光發(fā)射的相干光第5頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光激光 激光：

5、受激放大光發(fā)射 Laser，(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 單色亮度高 出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng) 相位整齊 方向性好 強(qiáng)度高 為信息處理提供了穩(wěn)定的載息媒介。第6頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光激光 1916年，美國(guó) 愛因斯坦，提出概念，指明獲得途徑 (關(guān)于輻射的量子理論) 1954年，美國(guó) 湯斯（），研制成功MASER(致冷氨分子)， 1958年，美國(guó)和前蘇聯(lián)科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出了實(shí)現(xiàn)激光振蕩的具體設(shè)想： 美國(guó) 肖洛（）/湯斯（）（“紅外和光學(xué)振蕩器”） 前蘇聯(lián) 實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器

6、的建議) 1960年，美國(guó) 梅曼() 紅寶石激光器問世（波長(zhǎng)694.3nm） 從理論到實(shí)現(xiàn)歷時(shí)44年，原因有二： 當(dāng)時(shí)對(duì)激光的社會(huì)需求不迫切，還沒有引起資助部門的注意， 學(xué)者受微波振蕩器金屬封閉腔模型束縛，沒有找到技術(shù)關(guān)鍵第7頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光激光 1960年秋，美國(guó) Javan等 1.15 m連續(xù)振蕩He-Ne氣體激光器。 1962年，美國(guó) Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半導(dǎo)體激光器。 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。 1966年，美國(guó) Dimmock、Bulter、Melngailis等 低溫工

7、作窄帶半導(dǎo)體近紅外可調(diào)諧激光器。 1970年，美國(guó) Lin等 雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 1980年后，等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反饋(DFB)激光器、分布布拉格發(fā)射(DBR)激光器、超快激光器 波長(zhǎng)：紫外、可見、紅外 峰值功率：100TW量級(jí) 最高平均功率：MW量級(jí) 調(diào)諧范圍：從200nm延伸到4 m。第8頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光非線性相干光源 來(lái)源：激光與各種非線性光學(xué)材料相互作用 1961年，美國(guó) Mc. Clung和Hellwarth 發(fā)明激光調(diào)Q法，開辟道路。 1962年， Woodburg等，受激喇曼激光器 1969年，美國(guó) P

8、atel等，自旋反轉(zhuǎn)喇曼激光， 1965年，美國(guó)與蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)光參量振蕩，獲得了另一種可調(diào)諧相干光源。 1968年，開始利用鎖模技術(shù)制造超短脈沖激光器 1969年獲得亞皮秒（10-13秒）光脈沖，現(xiàn)4-5飛秒(10-15秒)激光器已商品化，向阿秒10-18秒）進(jìn)軍。 1970年，Mooradian 等，寬可調(diào)諧范圍高效連續(xù)振蕩自旋反轉(zhuǎn)喇曼激光器。 1971年，美國(guó) Dewey，用光差頻法獲得波長(zhǎng)可調(diào)的紅外光源； 1972年，日本 俊藤等，用和頻產(chǎn)生出黃光； 三次諧波產(chǎn)生、光整流效應(yīng)等也相繼得以實(shí)現(xiàn)。第9頁(yè)/共111頁(yè)3.1 相干光源、非相干光源與激光信息光電子技術(shù)對(duì)光源的要求 信息光電子技術(shù)對(duì)

9、光源的要求 單色性 高速脈沖性 方向性 可調(diào)諧性 高能量密度 激光正是滿足這些條件的最好的光源第10頁(yè)/共111頁(yè) 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論激光產(chǎn)生與傳播基礎(chǔ)光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析經(jīng)典電子模型：研究光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典電子模型：研究光與物質(zhì)相互作用微觀微觀過程的有效方法過程的有效方法可以闡明激光產(chǎn)生及其在激光介質(zhì)或其他介質(zhì)中傳播規(guī)律的物理本質(zhì)，可以闡明激光產(chǎn)生及其在激光介質(zhì)或其他介質(zhì)中傳播規(guī)律的物理本質(zhì)，光電子一般研究光在晶體中的運(yùn)動(dòng)光電子一般研究光在晶體中的運(yùn)動(dòng)光輻射場(chǎng)與周期性變化晶體作用。光輻射場(chǎng)與周期性變化晶體作用。1. 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模

10、型光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模型介質(zhì)的極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積中的電偶極矩PxpPNeN式中，N為單位體積中粒子數(shù)。還可用宏觀物理量極化率 和介電常數(shù)來(lái)描述介質(zhì)對(duì)光波場(chǎng)的響應(yīng)，則，則，P與外加電場(chǎng)E的關(guān)系：jijiEP0第11頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析組成物質(zhì)的原子或分子體系在入射光波的電場(chǎng)下感生電偶極矩，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波輻射。原子中的外層電子受核和鄰近原子的與位移成正比的庫(kù)侖力作用，位移不大時(shí)表示為：xxx2022mkdtdmK：彈性系數(shù)，x：電子偏移平衡位置距離，m：電子質(zhì)量， ：電子固有頻率。電子在原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形成固有頻率為0的等幅簡(jiǎn)諧振子，向外輻射電磁波，輻射場(chǎng)又對(duì)電子產(chǎn)生反

11、作用，產(chǎn)生與電子速度成正比的阻尼力；光波電磁場(chǎng)入射，對(duì)阻尼振子施加一個(gè)電磁力作用，電子運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋簃k0eEdtdxmxmdtxdm2022不失普遍性，考慮入射光場(chǎng)為簡(jiǎn)諧電場(chǎng)情況，則瞬時(shí)電場(chǎng)E(t)與位置偏移x(t)為：tiet)()(EEtiet)()(xx第12頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析E()、x()表示對(duì)應(yīng)于頻率的振幅值，將x(t)、E(t)代入運(yùn)動(dòng)方程，并求解得：ime)()()(220Ex簡(jiǎn)諧振子模型下，電子受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)光波頻率相同，受迫振動(dòng)與驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)之間存在相位差（式中含有 項(xiàng)）由上述過程可知：i(1)當(dāng) 時(shí)，電子先吸收少量光能，引起受迫振動(dòng)，并輻射次

12、波。由x()表達(dá)式可以看出，若不考慮，則x()為有限恒值，電子將吸收的能量全部輻射出去，中間沒有能量損耗，電子維持等幅振蕩；若考慮，則達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后吸收的能量與發(fā)射的能量必然達(dá)到平衡，系統(tǒng)維持等幅振蕩，這種過程稱為光的散射。散射中，電子本征能量不變，形式上只是入射光波與散射光波之間能量轉(zhuǎn)換，稱為光和物質(zhì)的非共振相互作用過程。0(2)當(dāng) 時(shí)，如果不考慮輻射阻尼，則x()；如果考慮，則x()為有限恒虛數(shù)值，因而振子都將吸收能量：有時(shí)，吸收的能量用作維持輻射；沒有時(shí)，吸收的能量用作不斷增大振幅。 時(shí)光與物質(zhì)相互作用的過程稱為受激吸收與再發(fā)射，即受激發(fā)射，也就是說(shuō)， 處，初始態(tài)的電子吸收一個(gè)光子躍遷到

13、高能態(tài)，而受激電子又可放出一個(gè)同頻率的光子回到初態(tài)，這種吸收與再發(fā)射中，電子的本征能態(tài)將發(fā)生改變，稱為光和物質(zhì)相互作用的共振過程，激光產(chǎn)生過程就屬于共振過程。000第13頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析2.光波在各向同性介質(zhì)中的傳播光波在各向同性介質(zhì)中的傳播 各向同性介質(zhì)可看成許多各向同性線性諧振子的集合。在平面光波場(chǎng)作用下，原子在光場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)極化，形成電偶極振子：)(Re(tieepxpimep)()(E)(2202極化介質(zhì)或分子的輻射次波與入射光波的相互干涉決定了光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。設(shè)單位體積中原子數(shù)為N，則介質(zhì)極化強(qiáng)度 )(RetieNPpP)()()()()(02

14、202EEPimNe又EEP00)()()()()( i第14頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析則)()()(1)(22002 iimNe22222022002)()(mNe22222002)()( mNe諧振相互作用時(shí)，由于 ，并令 ，于是有)(8)(20202202220000222/)(8)(mNe2000224114)( mNe第15頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析式中 為線寬。不難看出 也是洛侖茲線型函數(shù)，下圖為 、 與頻率v 的關(guān)系圖。 事實(shí)上，復(fù)極化率 的實(shí)部 和虛部 都是頻率v 的函數(shù)，而且均由相同的材料參數(shù)N、 、 決定。 表示物質(zhì)的吸收與頻率的關(guān)系

15、，而 表示不同頻率下色散的大小，由圖可見： 在曲線半寬度 的頻率范圍內(nèi)受激吸收較大，而此區(qū)域內(nèi)， 斜率為負(fù)，因而這一區(qū)域?qū)俜闯Ｉ^(qū)；反之， 之外，斜率 為正，為正常色散區(qū)，且在受激吸收 很小的區(qū)域內(nèi)，色散 仍很可觀。還有， 極值大小為 峰值的一半。即： 0 2maxmax 第16頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析下面我們研究 的物理意義。我們知道： EEEPED00001而由于極化機(jī)制不同， 包括諧振分量 與非諧振分量 ,于是：n EEEEEEDrrrn000001式中 ，n10 r01可見，光與物質(zhì)的非諧振相互作用產(chǎn)生光的散射，引起 變?yōu)?，即散射過程造成了物質(zhì)折射率 ；而光與

16、物質(zhì)諧振相互作用使 變?yōu)?。002n設(shè)入射光波具有形式： zktietz2Re,EE式中 2/1012kr第17頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析設(shè) ，則 10r kkr210 22221ninkrr 2Gikk式中： ， ， 。 稱為增益系數(shù)。于是 k2 22nkkr 2nkGr G zGznikvtiEtzEr2)()21 (2expRe,2由此可見， 的實(shí)部表示極化對(duì)入射光場(chǎng)相位的影響，使每單位長(zhǎng)度的相位延遲由k變?yōu)?； 的虛部代表極化對(duì)入射光場(chǎng)強(qiáng)度的影響，使光場(chǎng)振幅按指數(shù)衰減。于是光在物質(zhì)中傳播時(shí)振幅隨傳播距離指數(shù)式衰減，位相有延遲 。k 221nkrk 221nkr 經(jīng)典

17、電振子模型精確解釋了吸收譜線的線型函數(shù)、吸收和色散的相互關(guān)系等問題，但不能解釋諸如光放大、吸收系數(shù)與高低能態(tài)能級(jí)上粒子數(shù)差等問題，而從輻射量子化的概念出發(fā)，利用受激躍遷幾率的表達(dá)式，則可得到滿意結(jié)果。第18頁(yè)/共111頁(yè) 光輻射量子理論基礎(chǔ)1916年，愛因斯坦年，愛因斯坦關(guān)于輻射的量子理論關(guān)于輻射的量子理論，概念：自發(fā)輻射概念：自發(fā)輻射(spontaneous emission)、 受激輻射受激輻射(stimulated emission)光量子與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生自發(fā)輻射、受激吸收與受激輻射三種躍遷。光量子與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生自發(fā)輻射、受激吸收與受激輻射三種躍遷。共振相互作用過程：共振相互作

18、用過程： 光波頻率等于原子諧振頻率，原子中電子的本征狀態(tài)改變的過程光波頻率等于原子諧振頻率，原子中電子的本征狀態(tài)改變的過程非諧振相互作用非諧振相互作用: 引起散射等物理現(xiàn)象，導(dǎo)致光傳播中折射率等變化引起散射等物理現(xiàn)象，導(dǎo)致光傳播中折射率等變化1.三種躍遷過程三種躍遷過程原子或分子的能量狀態(tài)只能取分立數(shù)值，能量最低的狀態(tài)稱基態(tài)，能原子或分子的能量狀態(tài)只能取分立數(shù)值，能量最低的狀態(tài)稱基態(tài)，能量比基態(tài)高的狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)。我們來(lái)研究一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)，量比基態(tài)高的狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)。我們來(lái)研究一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)，E1能級(jí)表能級(jí)表示基態(tài)，示基態(tài)，E2能級(jí)表示激發(fā)態(tài)，設(shè)能級(jí)表示激發(fā)態(tài)，設(shè)E1、E2之間滿足輻射躍遷的選擇定

19、之間滿足輻射躍遷的選擇定則，則在則，則在E1、E2之間發(fā)生三種躍遷過程。之間發(fā)生三種躍遷過程。受激吸收第19頁(yè)/共111頁(yè)（1）自發(fā)輻射）自發(fā)輻射位于能級(jí)E2，的原子不穩(wěn)定，即使無(wú)外界光信號(hào)作用，也將在某一時(shí)刻自發(fā)躍遷到E1，同時(shí)輻射出一個(gè)光子：1221EEh自發(fā)輻射式中，h：普朗克常數(shù)， ：躍遷產(chǎn)生的光波頻率。21在沒有光信號(hào)作用下自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的光輻射單個(gè)原子自發(fā)輻射是隨機(jī)的，具有時(shí)間不確定性；擁有大量原子的體系單位時(shí)間內(nèi)E2E1的原子數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果是可以確定的自發(fā)躍遷幾率A21：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)自發(fā)躍遷的原子數(shù)密度與E2上總原子數(shù)密度之比221211NdtdNAsp代表每個(gè)原子在單位

20、時(shí)間內(nèi)E2E1能級(jí)的自發(fā)輻射幾率，又稱自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)。A21完全由原子系統(tǒng)的兩特定能級(jí)特性決定，與外界信號(hào)無(wú)關(guān)完全由原子系統(tǒng)的兩特定能級(jí)特性決定，與外界信號(hào)無(wú)關(guān)一定原子的特定能級(jí)一定原子的特定能級(jí)A21是定值；是定值；各原子自發(fā)躍遷中彼此無(wú)關(guān)各原子自發(fā)躍遷中彼此無(wú)關(guān)不同原子產(chǎn)生的自發(fā)輻射光的方向、位相、偏振狀態(tài)無(wú)確定關(guān)系不同原子產(chǎn)生的自發(fā)輻射光的方向、位相、偏振狀態(tài)無(wú)確定關(guān)系 輻射光是非相干的熒光。自發(fā)輻射是各種普通光源的發(fā)光機(jī)制。輻射光是非相干的熒光。自發(fā)輻射是各種普通光源的發(fā)光機(jī)制。第20頁(yè)/共111頁(yè)02N211As單位時(shí)間、單位體積內(nèi)，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)，E2上減少的粒子數(shù)為：

21、上減少的粒子數(shù)為：221212NAdtdNdtdNsp)exp()exp(0221022stNtANN于是式中，式中， 為時(shí)為時(shí)E2能級(jí)上的初始原子數(shù)。能級(jí)上的初始原子數(shù)。由由E2E1自發(fā)躍遷決定的粒子在能級(jí)自發(fā)躍遷決定的粒子在能級(jí)E2上的自發(fā)輻射壽命，上的自發(fā)輻射壽命，物理意義：經(jīng)過物理意義：經(jīng)過 s后，后，E2上的原子數(shù)密度上的原子數(shù)密度N2減少到初值減少到初值 的的1/e倍；倍； s 越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留時(shí)間越長(zhǎng)上逗留時(shí)間越長(zhǎng) 無(wú)窮大時(shí)，稱無(wú)窮大時(shí)，稱E2為穩(wěn)態(tài)為穩(wěn)態(tài) s 較長(zhǎng)的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。較長(zhǎng)的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。02N第21頁(yè)/共111頁(yè)（2）受激吸收 低能級(jí)原

22、子從外界光信號(hào)中吸收一份能量后躍遷到激發(fā)態(tài)的過程 受激吸收幾率W12：由于受激吸收，單位時(shí)間從E1能級(jí)躍遷到 E2 能級(jí)的原子數(shù)密度與E1能級(jí)原子數(shù)密度N1的比值： W12由輻射引起，不僅與粒子本身性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場(chǎng)能量密度 有關(guān)，即 B12稱為愛因斯坦吸收系數(shù)，僅與粒子本身性質(zhì)有關(guān)stdtdNNW121121 BW1212第22頁(yè)/共111頁(yè)(3) 受激輻射 E2上原子在頻率 21=（E2E1）/h 的外界光作用下躍遷到E1，同時(shí)輻射出能量為E2 E1 、且與外界光信號(hào)同一狀態(tài)的光子，這兩個(gè)光子再去誘發(fā)產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個(gè)入射光子作用下，就可以產(chǎn)生大量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的光子，這

23、一發(fā)射過程稱為受激發(fā)射 。 受激發(fā)射幾率W21：在頻率 21=（ E2 E1 ）/h 的外界光信號(hào)作用下，單位時(shí)間內(nèi)從E2 躍遷到E1的原子數(shù)密度與N2 之比： 不僅與原子特定能級(jí)躍遷機(jī)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，還與入射光信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān) ( 21)：頻率為 21 的入射光波的能量密度 B21：愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)，僅與原子特定的能級(jí)躍遷機(jī)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)。 受激發(fā)射光子與外界信號(hào)光子傳播方向、振蕩頻率、偏振方向及相位都相同212121stdNWNdt212121BW第23頁(yè)/共111頁(yè)2 愛因斯坦關(guān)系 大量粒子構(gòu)成的粒子體系(如原子或分子等)中，三種躍遷同時(shí)存在。 E2自發(fā)輻射的能量E2-E1 的光子，對(duì)其它粒子

24、而言可視為外來(lái)入射光，使E1上粒子發(fā)生受激吸收，使E2上粒子發(fā)生受激輻射，三種過程相互聯(lián)系，相互聯(lián)系可由表示原子特定能級(jí)E1、E2特性的參數(shù)A21、B21、B12來(lái)表示。設(shè)一原子系統(tǒng)兩特定能級(jí)E1、E2簡(jiǎn)并度分別為g1、g2;，在溫度T處于熱平衡狀態(tài)， E1、E2能級(jí)原子數(shù)密度分別為N1、N2。第24頁(yè)/共111頁(yè)221112gBgB3332121218cnhBA愛因斯坦關(guān)系式:若 、 兩能級(jí)簡(jiǎn)并度相等，即 ，則愛因斯坦關(guān)系式可簡(jiǎn)化為： 1E2E21gg BBB2112333218cnhBA第25頁(yè)/共111頁(yè)至此可以看出：(1) 、 、 三個(gè)愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系

25、，決不是相互孤立無(wú)關(guān)的。21A12B21B(2)對(duì)一定原子體系而言，自發(fā)發(fā)射系數(shù)A與受激發(fā)射系數(shù)B之比正比于頻率 的三次方，因而 與 能級(jí)差越大， 就越高，A與B的比值就越大，也就是說(shuō) 越高越易自發(fā)輻射，受激發(fā)射越難，一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。211E2E2121第26頁(yè)/共111頁(yè)3.光譜線展寬由 的定義式 得單位體積內(nèi)粒子自發(fā)躍遷所輻射的功率為： 21A221211NdtdNA 212122121hANhdtdNIsp前提：能級(jí)是理想無(wú)寬度的、從而粒子輻射是單色的，即輻射的全部能量集中于單一頻率事實(shí)：自發(fā)輻射并非單色，而是分布在中心頻率 附近一個(gè)有限的頻

26、率范圍內(nèi)光譜線展寬21自發(fā)輻射的功率 成為頻率的函數(shù) ，則 范圍內(nèi)的功率為 ，總的自發(fā)輻射功率為： I Id dI dII第27頁(yè)/共111頁(yè) I表示分布在頻率v處單位頻率間隔內(nèi)自發(fā)輻射功率與總自發(fā)輻射功率之比，滿足歸一化條件： 1dg不同粒子體系，不同能級(jí)間自發(fā)輻射的 不同，為此引入一個(gè)新函數(shù)(歸一化)： IIg光譜線線型函數(shù) 譜線展寬中， 在 處有最大值 。在 時(shí)， 。（ 為譜線寬度）。 g0 0g210 021gg第28頁(yè)/共111頁(yè) 考慮譜線展寬后,對(duì)自發(fā)輻射有： 21221221221ANdgANdANdtdNsp可見，譜線展寬對(duì)自發(fā)躍遷沒有影響，即自發(fā)輻射 不受影響。 g 對(duì)受激輻

27、射 dBNdWNdtdN21221221 dgBNdgBN212212 可見受激躍遷粒子數(shù)改變與粒子體系的 及輻射場(chǎng)的 有關(guān)。不同粒子體系、不同類型輻射場(chǎng)受激輻射效果不同。 g第29頁(yè)/共111頁(yè)4.受激發(fā)射下光譜線展寬的類型 光電子學(xué)中主要討論激光與物質(zhì)的相互作用，由于激光的受激躍遷幾率不僅與 、 有關(guān)，且與 有關(guān)，因而我們看看各種 函數(shù)形式對(duì)應(yīng)的譜線展寬機(jī)理，一般來(lái)講，譜線展寬分均勻展寬與非均勻展寬兩大類。21B g g(1)均勻展寬特點(diǎn)：引起均勻展寬的機(jī)理對(duì)于每一粒子而言都是相同的。 任一粒子對(duì)譜線展寬的貢獻(xiàn)都是一樣的， 不可能把線型函數(shù)某一特定頻率與某些特定粒子相聯(lián)系起來(lái) 每個(gè)發(fā)光粒子

28、都以洛侖茲線型發(fā)射。包括：自然展寬，碰撞展寬和熱振動(dòng)展寬等。a.自然展寬由于粒子存在固有的自發(fā)躍遷，從而導(dǎo)致它在受激能級(jí)上壽命有限所形成的粒子本身固有性質(zhì)決定，自然存在，因而稱為自然展寬(natural broadening)。第30頁(yè)/共111頁(yè) gN為電子無(wú)阻尼振動(dòng)頻率 表達(dá)式具有洛侖茲型。它表征阻尼諧振系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。 唯一地由高能級(jí) 的平均壽命 所決定。 gN gN2Es 在高低狀態(tài)均為激發(fā)的情況下，且相應(yīng)的帶寬度分別為 、 ,相應(yīng)壽命分別為 、 ，有：uElE us ls lsusN112122022)(/gNNN線型函數(shù)線型函數(shù) ：0線寬：第31頁(yè)/共111頁(yè)b.碰撞展寬 由于

29、氣體中大量粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的碰撞引起的譜線展寬。 (1) 非彈性碰撞：激發(fā)態(tài)粒子與其它粒子和器壁發(fā)生非彈性碰撞而損失能量回到基態(tài)。 相當(dāng)于激發(fā)態(tài)壽命縮短。粒子發(fā)射的波列中斷，偏離諧波的程度更大，展寬更大。 (2) 消相碰撞：粒子發(fā)射的波列發(fā)生無(wú)規(guī)則相位突變。 粒子能量并不發(fā)生明顯變化。 由于碰撞的隨機(jī)性，用平均碰撞時(shí)間來(lái)表征碰撞過程，其線型函數(shù)具有形式： 22220cccg線寬 lcucc1121式中， 、 分別為上下激發(fā)態(tài)能級(jí) 、 的碰撞時(shí)間。 uc lcuElE第32頁(yè)/共111頁(yè) 22220HHHg均勻展寬線型函數(shù)的線寬為：lcuclsusH111121 自然展寬與碰撞展寬共同作用產(chǎn)

30、生的線型函數(shù)合稱為均勻展寬的線型函數(shù)，用 表示： gH均勻展寬（一般形式）第33頁(yè)/共111頁(yè)c.熱振動(dòng)展寬 由晶格熱振動(dòng)引起的譜線展寬，在固體激光物質(zhì)中其量級(jí)遠(yuǎn)大于前兩者，晶格原子的熱振動(dòng)使發(fā)光粒子處于隨時(shí)間周期變化的晶格場(chǎng)中，引起能級(jí)振動(dòng)，導(dǎo)致譜線展寬，這種展寬與溫度關(guān)系最大，但其線型函數(shù)解析式很難求，常用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)知。第34頁(yè)/共111頁(yè)(2)非均勻展寬 非均勻展寬的特點(diǎn)是粒子體系中粒子的發(fā)光只對(duì)譜線內(nèi)與其中心頻率相對(duì)應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，可以區(qū)分為線型函數(shù)的某一頻率范圍是由哪些粒子發(fā)光所引起的。 主要包括：多普勒展寬 殘余應(yīng)力展寬第35頁(yè)/共111頁(yè)線型函數(shù)： 2020222102kTmcDe

31、kTmcg它稱為多普勒展寬的線型函數(shù)，具有高斯函數(shù)形式。相應(yīng)線寬為：21202ln22/DmckTa.多普勒展寬 由于氣體物質(zhì)中作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光粒子所產(chǎn)生的輻射的多普勒頻移引起的。第36頁(yè)/共111頁(yè) 光輻射量子理論基礎(chǔ)當(dāng) 時(shí)，線型函數(shù)具有最大值：0 21002/DkTmcg將 用 表示為：)(gDD 220212ln4exp2ln2D/DDg相同線寬下 與 如圖所示：)(gN)(gD高斯線型與洛侖茲線型的比較第37頁(yè)/共111頁(yè) 多普勒展寬實(shí)際上是一種“宏”效應(yīng)、一種統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因?yàn)閭€(gè)別粒子發(fā)出的是自然展寬譜線，但不同粒子熱運(yùn)動(dòng)速度不同，因而引起 的多普勒頻移也不同，多普勒展寬線是具有各種中心頻

32、率的自然展寬譜線的包絡(luò)線，總的 就是 的自然展寬疊加后的寬度，如圖所示。0D0自然展寬和多普勒展寬線型函數(shù) 第38頁(yè)/共111頁(yè)b.殘余應(yīng)力展寬 殘余應(yīng)力展寬是固體激光物質(zhì)內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的，其中一種是晶格缺陷所致，非均勻分布的缺陷引起不同位置離子 不同，在紅寶石晶體等某些均勻性、完美性較差的晶體中，為主要展寬原因；另一種是由物質(zhì)本身原子無(wú)規(guī)則排列構(gòu)成的，在一些非晶體物質(zhì)中(如 ：玻璃)中占主要地位。這類展寬的解析形式難以求證，常用實(shí)驗(yàn)測(cè)定。03Nd第39頁(yè)/共111頁(yè) 光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典理論的量子修正可以部分解釋了受激發(fā)射的問題，但要想從本質(zhì)上把握受激發(fā)射必須用純量子的觀點(diǎn)來(lái)研究光與物質(zhì)相

33、互作用。 1.兩種情況下光與粒子體系的相互作用下面分別討論單色與連續(xù)光輻射場(chǎng)、粒子體系相互作用情況：(1)單色輻射場(chǎng)與粒子體系相互作用 如圖，粒子線型函數(shù)為 ，中心頻率為 ，譜線寬度為 ，輻射場(chǎng) 的中心頻率為 ，帶寬為 。單色輻射場(chǎng)與粒子體系相互作用過程，要求粒子體系的展寬要遠(yuǎn)大于輻射場(chǎng)寬度，即 與 間滿足關(guān)系式： g00 單色輻射場(chǎng)與粒子的相互作用第40頁(yè)/共111頁(yè) 激光器中場(chǎng)與激光物質(zhì)相互作用正屬此例，因?yàn)榧す鈫紊院茫?很小。于是(3-26)式中被積函數(shù)只有在 附近一個(gè)很窄的范圍 內(nèi)不為零。且在 內(nèi) 可以認(rèn)為不變，于是單色輻射場(chǎng)能量密度可表示為0 g WNgBNdgBNdtdNst21

34、221221221 ghncAgBW3332121218 ghnIghnIcAs223222188式中 (單位 )為光輻射強(qiáng)度。ncI2/mW 上式表明：由于譜線展寬，和粒子體系產(chǎn)生相互作用的單色光場(chǎng)的頻率 并不一定要精確位于 的中心頻率 處才能產(chǎn)生受激輻射，而是在 附近一定頻率范圍內(nèi)均可，躍遷幾率的大小取決于單色光場(chǎng)中心頻率 相對(duì)于線型函數(shù)中心頻率 的位置， 越小，則 越大，當(dāng) 時(shí)，受激躍遷幾率最大。這種相互作用不僅與 、 有關(guān)，而且還與 有關(guān)。0 g000000 21W00 21B g第41頁(yè)/共111頁(yè)(2)連續(xù)輻射光場(chǎng)與粒子體系相互作用 當(dāng)連續(xù)輻射光場(chǎng)與粒子體系相互作用時(shí)，(見圖)，滿

35、足條件 ，于是(3-26)式中被積函數(shù)只有在 附近很小的范圍內(nèi)( 量級(jí))才不為0，且 內(nèi)可以認(rèn)為 近似為常數(shù) ，于是：00 dgBNdgBNdtdNst0212212212122120WNBN 為連續(xù)輻射光場(chǎng)在粒子線性函數(shù)中心頻率 處的單色能量密度。00 可見，連續(xù)輻射場(chǎng)中只有頻率等于粒子體系中心頻率 的那部分輻射場(chǎng)才能引發(fā)粒子體系受激輻射，其它部分實(shí)際上被粒子體系所散射。0 連續(xù)輻射場(chǎng)與粒子的相互作用第42頁(yè)/共111頁(yè)2.受激發(fā)射與光放大 光束在激活介質(zhì)中傳播時(shí)，設(shè)入射端面處光強(qiáng)為 ，距離x處光強(qiáng)為 ，且 ，則：)(0I)(I2211gNgN0)()()()()(2121121221212

36、121dthBNggNIdId可見光強(qiáng)在激活介質(zhì)中不斷放大，為此，我們引入激活介質(zhì)的增益系數(shù) ：)(GdxIdIG)()()(式中 是傳播距離 時(shí)光強(qiáng)的增量。這說(shuō)明：介質(zhì)的增益系數(shù)在數(shù)值上等于光束強(qiáng)度在傳播單位長(zhǎng)度的距離時(shí)，光強(qiáng)增加的百分?jǐn)?shù)。由于 0，因而 0，所以 可以表示光在激活介質(zhì)當(dāng)中的放大特性。)(dIdx)(dI)(G)(G由上式可得：xGeII)(0)()(可見，光強(qiáng)度隨傳播距離的增加而呈指數(shù)上升，上升的速率由 決定。)(G另： dthBNggNdIdIdxG212112122121212121)()()()()()(第43頁(yè)/共111頁(yè)又 c/nvdx/dt1212121于是有：

37、 hBNggNG21121221)()(考慮光譜線展寬效應(yīng)，有：)()()()()(2112122112121221KgNggNghBNggNG式中 12212128ggAhBK可見：(1)由于 正比于 ，因而激活介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)越多，光增益越強(qiáng)。)(G)(1212NggN(2)由于 與v無(wú)關(guān)，因而 正比于 ，也就是說(shuō)，增益系數(shù)分布曲線與線型函數(shù) 的形狀相似。)(1212NggN)(G)(g)(g第44頁(yè)/共111頁(yè)3.3 激光產(chǎn)生的條件必要條件：必要條件： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 減少振蕩模式數(shù)，充分條件： 起振條件 穩(wěn)定振蕩條件 當(dāng)光束通過原子或分子系統(tǒng)時(shí)，總是同時(shí)存在著受激發(fā)射和受激吸收兩個(gè)相互

38、對(duì)立的過程，前者使入射光強(qiáng)增加，后者使光束強(qiáng)度減弱。 一般情況下受激吸收總是遠(yuǎn)大于受激發(fā)射，絕大部分粒子數(shù)處于基態(tài)；而如果激發(fā)態(tài)的電子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于基態(tài)電子數(shù)，就會(huì)使激光工作物質(zhì)中受激發(fā)射占支配地位，這種狀態(tài)就是所謂的工作物質(zhì)“粒子反轉(zhuǎn)分布粒子反轉(zhuǎn)分布”狀態(tài)，又稱布居數(shù)反轉(zhuǎn)分布。第45頁(yè)/共111頁(yè)激光產(chǎn)生的必要條件(1)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布t 時(shí)刻，頻率 、能量密度 的光束射入二能級(jí)系統(tǒng)。引起受激吸收+受激發(fā)射。 內(nèi)， 因受激吸收而減少的光能量密度：hEE1221)(21dtttdthBNd2121121211)()(因受激發(fā)射而增加的光能：dthBNd2121212212)()(能量密度能量密度總

39、變化量：dthBNBNd212112121221)()(將愛因斯坦關(guān)系式代入得：dthBggNgNd2121212112221)()()(0，光放大0，光衰減正負(fù)由（N2/g2-N1/g1）定0)(2121212dthBg第46頁(yè)/共111頁(yè)激光產(chǎn)生的必要條件(1)(1)粒子數(shù)正常分布粒子數(shù)正常分布2211gNgN ，光束能量密度不斷地減少。一般情況下介質(zhì)中的粒子數(shù)總呈正常分布。如物體處于熱平衡時(shí)，有：0)(21d)exp(121212kTEEggNN非平衡態(tài)粒子分布也是正常分布狀態(tài)。 能級(jí)由 個(gè)重疊在一起的能級(jí)組成， 能級(jí)由 個(gè)重疊在一起的能級(jí)組成， 與 分別表示 和 中的“一個(gè)”能級(jí)上的粒

40、子數(shù)；正常分布E1的一個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)大于E2的一個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)1E1g2E2g11gN22gN1E2E第47頁(yè)/共111頁(yè) 激光產(chǎn)生的必要條件(1)(2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布1122gNgN ，光能密度不斷增加。處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)激活介質(zhì)激活介質(zhì)。0)(21d粒子在能級(jí)上的分布上多下少。為此泵浦源將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)。通過泵浦源的泵浦工作，可使某些具有特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，形成激活介質(zhì)。泵浦源是形成激光器的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。光射入激活介質(zhì)時(shí)， ，入射光能密度通過激活介質(zhì)后被“放大”了，故激活介質(zhì)如同一個(gè)“光放大器”。這樣，光的受激發(fā)射在激

41、活介質(zhì)中占了主導(dǎo)地位。在工作物質(zhì)中建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是形成激光的必要條件在工作物質(zhì)中建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是形成激光的必要條件。0)(21d第48頁(yè)/共111頁(yè) 激光產(chǎn)生的必要條件(2)：減少模式振蕩數(shù)激光：高能、方向性很好、單色性很好受激發(fā)射： 方向發(fā)散，傳輸距離有限強(qiáng)度難以很大 模式多樣，攜帶各自能量單色亮度難以很強(qiáng)。解決辦法： 開式光學(xué)諧振腔、激活介質(zhì)、一對(duì)相向平行反射鏡（ ， ）諧振腔軸向光束 來(lái)回反射，某一方向得到放大形成激光振蕩，輸出強(qiáng)度高 滿足干涉相長(zhǎng)條件的光得到加強(qiáng)，頻率得到篩選模式數(shù)目減少偏軸角較大光束 由側(cè)面逸出激活介質(zhì)，不能形成激光振蕩。11R12R(a)激活介質(zhì)中的

42、光放大 (b) 諧振腔中光的振蕩 第49頁(yè)/共111頁(yè)激光產(chǎn)生的充分條件(1)：起振條件1.起振條件起振條件閾值條件閾值條件增益：受激放大損失：鏡面透射損失（ ），鏡面和腔內(nèi)激活介質(zhì)存在著吸收、散射等損失，增益大于損失，光波放大，起振：振蕩閾值條件增益大于損失，光波放大，起振：振蕩閾值條件。12R強(qiáng)度 的光射入長(zhǎng)L的諧振腔內(nèi)充滿增益系數(shù) 的激活介質(zhì)，單程L后)(G0I)()(exp001GILGIIL ：?jiǎn)纬淘鲆?，即光束?jīng)過激活介質(zhì)一次所得的放大倍數(shù)。LGGL)(exp)(諧振腔兩鏡面反射率 ， ,透射率 ， ，鏡面其它損耗 ， ， 則：1R2R1T2T121111TR1222TR第50頁(yè)/共

43、111頁(yè) , , ,光束在腔內(nèi)往返一次的強(qiáng)度變化光束在腔內(nèi)往返一次的強(qiáng)度變化 往返一次光束強(qiáng)度變化過程： LGII01212RII LGII23134RII 于是 22104LGRRII ，在激活介質(zhì)振蕩一次強(qiáng)度減小；多次振蕩不斷衰減，無(wú)法形成激光振蕩； ，光強(qiáng)逐漸加強(qiáng)，形成有效的激光振蕩。產(chǎn)生激光振蕩條件：04II 04II 04II 第51頁(yè)/共111頁(yè)激光振蕩最起碼條件1221LGRR增益閾值： 21ln21)(RRLGth又 )()()(1212KgNggNG激光振蕩反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值：激光振蕩反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值：)(ln4)(2ln1)(2121221211212LgRRggALgRRKNg

44、gNth第52頁(yè)/共111頁(yè)(1)均勻加寬時(shí)，由于 ，因而閾值條件為：g2)(21LRRggANggNth212122121212ln2)(2)非均勻加寬時(shí)有 ，于是閾值條件為：2ln2)(21DgLRRggANggNDth212122121212ln2ln2)(通過泵浦，使通過泵浦，使 ，且滿足上式的反轉(zhuǎn)閾值要求時(shí)，且滿足上式的反轉(zhuǎn)閾值要求時(shí)， 光強(qiáng)才逐漸加強(qiáng)，諧振腔內(nèi)才開始形成激光振蕩光強(qiáng)才逐漸加強(qiáng)，諧振腔內(nèi)才開始形成激光振蕩。 1122gNgN增益加寬機(jī)制不同，閾值條件不同增益加寬機(jī)制不同，閾值條件不同。如果閾值條件是相對(duì)于中心頻率而言，則：第53頁(yè)/共111頁(yè)2.穩(wěn)定振蕩條件穩(wěn)定振蕩條

45、件增益飽和效應(yīng)增益飽和效應(yīng)激光往返經(jīng)過激活介質(zhì)，強(qiáng)度隨傳播距離x的增加呈指數(shù)上升。無(wú)限制地增大？ 當(dāng)入射光強(qiáng)度足夠弱時(shí)，增益系數(shù)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，是一個(gè)常數(shù)； 當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，增益系數(shù)將隨光強(qiáng)的增大而減小當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，增益系數(shù)將隨光強(qiáng)的增大而減小增益飽和效應(yīng)。增益飽和效應(yīng)。 激光器的穩(wěn)定振蕩條件。激光器的穩(wěn)定振蕩條件。),(IG設(shè)想某種工作物質(zhì)在泵浦作用下(無(wú)外加光場(chǎng))實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即：01012020gNgNN外加光強(qiáng)致 的受激發(fā)射和 的受激吸收，躍遷幾率相等 由于 ，因而 的粒子數(shù)大于 的粒子數(shù)，新平衡下的反轉(zhuǎn)粒子數(shù) ， 變小；隨著往返振蕩外加光場(chǎng) 不斷增強(qiáng)， 不斷

46、減小增益減小到恰好等于損耗時(shí)，就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，形成了穩(wěn)定的激光輸出。增益減小到恰好等于損耗時(shí)，就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，形成了穩(wěn)定的激光輸出。12EE 21EE )(1221WW2211gNgN12EE 21EE 0NN)(G)(I)(G第54頁(yè)/共111頁(yè)(1)光譜線均勻加寬時(shí)在光譜線均勻加寬條件下， 的形式為： ),(IG)1 ()()(4)(),(222120sIIGIG 為小信號(hào)增益系數(shù)； 飽和光強(qiáng)由于 、 、 、 均為常數(shù)，可見 隨 的變化由 表征：cnghBNggNG)()(21212111220)(822ghnIs210GsI)(GI)1 (sIIa.當(dāng) 時(shí)，小信號(hào)增益公式：sII

47、 222120)()(4)()(GGb.當(dāng) 不能忽略時(shí)，G為I的函數(shù)，當(dāng) 時(shí)，增益曲線有極大值：sII21 sIIGIG1),(021max譜線加寬機(jī)制不同，增益飽和規(guī)律則不同第55頁(yè)/共111頁(yè)(2)非均勻加寬時(shí) 為高斯曲線，很多中心頻率不同的均勻加寬增益曲線的疊加。很多中心頻率不同的均勻加寬增益曲線的疊加。于是整個(gè)增益曲線在 處形成了一個(gè)“下陷”，且光強(qiáng)I愈強(qiáng)，下陷愈深，如圖所示。)(ga 增益飽和下陷 第56頁(yè)/共111頁(yè)3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)提供形成激光的能級(jí)結(jié)構(gòu)體系，激光產(chǎn)生的內(nèi)因；泵浦源泵浦源提供形成激光的能量激勵(lì)，激

48、光形成的外因：光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔為激光器提供反饋放大機(jī)構(gòu)，提高受激發(fā)射強(qiáng)度、方向、單色性。1.激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì) 當(dāng)工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)，工作物質(zhì)處于激活狀態(tài)，光在此介質(zhì)中傳播時(shí)，就會(huì)獲得放大作用。 即：原子系統(tǒng)一旦實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程，就變成了增益介質(zhì)，對(duì)外來(lái)的光而言就變成了放大器。注意點(diǎn)：二能級(jí)系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光注意點(diǎn)：二能級(jí)系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光二能級(jí)系統(tǒng)：光入射，引起受激吸收，使N1減小、N2增加；受激輻射，N2減小、N1增加，兩過程同時(shí)進(jìn)行，最終N1= N2，吸收和受激發(fā)射相等，二能級(jí)系統(tǒng)不再吸收光 自受激透射態(tài)，N2不再繼續(xù)增加；即便采用強(qiáng)光照射，共振吸收和受激發(fā)射幾率相

49、同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。二能級(jí)系統(tǒng)即使有入射光等激勵(lì)也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，不能做激光工作物質(zhì)。第57頁(yè)/共111頁(yè)要產(chǎn)生激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）不夠，要產(chǎn)生激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）不夠，至少需要一個(gè)可以使得粒子具有較長(zhǎng)停留時(shí)間或較小自發(fā)輻射幾率的能級(jí)，至少需要一個(gè)可以使得粒子具有較長(zhǎng)停留時(shí)間或較小自發(fā)輻射幾率的能級(jí)，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 亞穩(wěn)相對(duì)于穩(wěn)定的低能態(tài)或基態(tài)而言。亞穩(wěn)相對(duì)于穩(wěn)定的低能態(tài)或基態(tài)而言。激光工作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個(gè)能級(jí)激光工作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個(gè)能級(jí)。實(shí)際激光工作物質(zhì)的結(jié)構(gòu)：實(shí)際激光工作物質(zhì)的結(jié)構(gòu)： 三能級(jí)三能級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (

50、a) 四能級(jí)四能級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (b)abc反轉(zhuǎn)分布機(jī)制第58頁(yè)/共111頁(yè)典型三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)：1960年的第一臺(tái)激光器外界激發(fā)使粒子從E1躍遷到E3。E3壽命很短（10-9s量級(jí)），粒子無(wú)法停留，很快通過非輻射馳豫過程躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)(10-3s量級(jí)），允許粒子停留。E1的粒子不斷被抽運(yùn)到E3，很快轉(zhuǎn)到E2，在E2上大量積聚， 當(dāng)把一半以上的粒子抽運(yùn)到E2，就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，此時(shí)若有光子能量為的入射光，則將產(chǎn)生光的受激輻射，實(shí)現(xiàn)光放大。三能級(jí)系統(tǒng)要在亞穩(wěn)能級(jí)與基態(tài)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，要把總粒子數(shù)的一半以上從E1搬運(yùn)到E2，對(duì)激勵(lì)源的泵浦能力要求很高，也就是說(shuō)其激光閾值

51、很高激光閾值很高。 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖 (c)， E4到E3、E2到E1的無(wú)輻射躍遷幾率都很大； E3到E2、E3到E1的自發(fā)躍遷幾率都很小，外界激發(fā)使E1上的粒子不斷被抽運(yùn)到E4，又很快轉(zhuǎn)到亞穩(wěn)態(tài)E3，而E2留不住粒子， 因而E2、E3很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。四能級(jí)結(jié)構(gòu)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，激光閾值很低，四能級(jí)結(jié)構(gòu)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，激光閾值很低，現(xiàn)在絕大多數(shù)的激光器都是四能級(jí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在絕大多數(shù)的激光器都是四能級(jí)結(jié)構(gòu)。 第59頁(yè)/共111頁(yè)2.泵浦源泵浦源介質(zhì)一般處于粒子數(shù)正常分布狀態(tài)，反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)必須用外界能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)。在外界作用下，粒子從低能級(jí)進(jìn)入高能

52、級(jí)從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的過程稱為泵浦。泵浦過程就是原子(或分子、離子)的激勵(lì)過程。把將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的裝置稱為泵浦源或激勵(lì)源。泵浦源是組成激光器的三個(gè)基本部分之一，是形成激光的外因。激光器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?。合適的激勵(lì)方式和能量大小對(duì)激光效率產(chǎn)生重要影響。第60頁(yè)/共111頁(yè)泵浦的主要工作方式：泵浦的主要工作方式：(1)光激勵(lì)方式大多數(shù)固體激光器用一束自發(fā)輻射的強(qiáng)光或激光束直接照射工作物質(zhì)，利用激光工作物質(zhì)泵浦能級(jí)的強(qiáng)吸收性質(zhì)將這種光能轉(zhuǎn)化成激光能。效率不高。 (2)氣體輝光放電或高頻放電方式 大多數(shù)氣體激光器由于工作物質(zhì)密度小，粒子間距大，相互

53、作用弱，能級(jí)極窄，且吸收光譜多在紫外波段，用光激勵(lì)技術(shù)難度大，效率低，故多采用氣體放電中的快速電子直接轟擊或共振能量轉(zhuǎn)移完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 (3)直接電子注入方式 半導(dǎo)體激光器直接電注入就可以完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且效率 高。 (4)化學(xué)反應(yīng)方式 通過化學(xué)反應(yīng)釋放的能量完成相應(yīng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦方式。化學(xué)激光器就是這類泵浦方式，一般具有功率大的特點(diǎn)。 熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能等等都可能用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦方式因工作物質(zhì)的能級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而定。第61頁(yè)/共111頁(yè)3.諧振腔 光學(xué)諧振腔是構(gòu)成激光器的重要器件，它不僅為獲得激光輸出提供了必要的條件限制了可能的模式數(shù)目，同時(shí)還對(duì)激光的頻率(高單色性)、功率

54、(高亮度)、光束發(fā)散角(方向性好)及相干性等有著很大影響。前述所引的兩平面鏡構(gòu)成的法珀腔是一種最簡(jiǎn)單的諧振控。實(shí)際情況中，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及激光器類型，可以采用不同曲率、不同結(jié)構(gòu)的諧振腔。但不管是哪種光學(xué)諧振腔，它們都有一個(gè)共同特性，那就是都是開腔，即側(cè)面沒有邊界的腔，這使偏軸模不斷耗散，以保證激光定向輸出。 設(shè)激光器腔長(zhǎng)L，反射鏡曲率半徑分別為 ， （凸面鏡 ，凹面鏡 ）?？偟膩?lái)講，諧振腔可分為穩(wěn)定腔(低損耗腔)和非穩(wěn)定腔(高損耗腔)兩大類。1r2r0r0r第62頁(yè)/共111頁(yè) 典型的穩(wěn)定腔有法珀腔、共焦腔等(如圖(a)，(b)）。傍軸光線在這類諧振腔內(nèi)往返多次而不至于橫向逸出腔外。 (a

55、)琺珀腔 (b)共焦球面腔 (1)穩(wěn)定腔 穩(wěn)定腔就是滿足下列條件的腔： 1021ss111rLs221rLs其中 第63頁(yè)/共111頁(yè)(2)非穩(wěn)定腔021ss121ss或滿足下列不等式之一的球面諧振腔為非穩(wěn)定腔： 傍軸光線在這類諧振腔內(nèi)往返有限次后必然從側(cè)面逸出腔外，因而這類腔具有較高的幾何損耗。典型的非穩(wěn)定腔有雙凸腔、平凸腔、平凹腔、雙凹腔、非對(duì)稱實(shí)共焦非穩(wěn)腔、虛共焦腔等(如圖 (c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)），其中(e)、(f)、(g)三種腔因腔內(nèi)存在焦點(diǎn)，強(qiáng)激光的聚焦作用容易破壞工作物質(zhì)，因而實(shí)際中很少采用。 第64頁(yè)/共111頁(yè)(c)雙凸腔 （d）平凸腔 (e)平凹腔

56、（f）雙凹非穩(wěn)腔 (g)非對(duì)稱實(shí)共焦非穩(wěn)腔 （h）虛共焦腔第65頁(yè)/共111頁(yè)將 或 的共軸球面腔劃分為臨界腔。021ss121ss 另外， 的諧振腔稱為對(duì)稱共焦腔，其 ， ， ； 的腔稱為平行平面腔，其 ； 的腔稱為共心腔。 Lrr2101s02s021ss21rr121 ssLrr21光在諧振腔中的損失，主要包括反射損失、透射損失、衍射損失、吸收損失、散射損失等。第66頁(yè)/共111頁(yè)激光器的輸出1.輸出功率 如果一個(gè)激光器的小信號(hào)增益系數(shù)恰好等于閾值，則激光輸出是十分微弱的。實(shí)際的激光器總是在閾值以上工作的。設(shè)小信號(hào)增益系數(shù)為 ，腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，單程損耗為 ，光強(qiáng) 在腔內(nèi)往返一次后變?yōu)?，則有：

57、 )(0GII12)(2exp0LGII 若開始時(shí)，某一振蕩頻率的小信號(hào)增益系數(shù) 大于閾值增益系數(shù) ，則腔內(nèi)光強(qiáng) 將逐漸增加，但由于受飽和效應(yīng)影響，若大信號(hào)增益系數(shù) 仍比 大，則這一過程便繼續(xù)下去，并隨著 不斷增加， 不斷減少，直到： )(0GthG)(I),(IGthG)(I),(IGLGIGth),(為止，增益和損耗達(dá)到平衡，I不再增加，激光器建立起穩(wěn)定工作狀態(tài)，有了恒定輸出功率。 當(dāng)外界激光作用增強(qiáng)時(shí)，小信號(hào)增益系數(shù) 增大，此時(shí) 必須增加到一個(gè)更高的穩(wěn)定值時(shí)，才能使 降低到 ，建立起新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。)(0GI),(IGthG)( 因此外界激光增強(qiáng)時(shí)，激光器輸出功率增加，但不管激光強(qiáng)弱，

58、穩(wěn)態(tài)工作時(shí)激光器的大信號(hào)增益系數(shù)總是穩(wěn)定在 。 thG)(第67頁(yè)/共111頁(yè)(1)均勻加寬LIIGIGs01)(),(000 于是： sILGI1)(000相應(yīng)的連續(xù)激光器激光輸出功率為：1)(21)(21000LGSTISTIPs式中，S為激光束有效截面積， 為光在腔內(nèi)往返一周的總腔內(nèi)損耗，T為諧振腔端面反射鏡總透過率， ， 為單程損耗。2T第68頁(yè)/共111頁(yè)LIIGIGs01)(),(000 得： sILGI1)(2000 相應(yīng)的連續(xù)激光器激光輸出功率為:1)(221200TLGSTIPs(2)非均勻加寬第69頁(yè)/共111頁(yè)2.輸出模式輸出模式激光器的輸出由許多獨(dú)立頻率分量模式組成模式

59、：能在腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式。穩(wěn)定的含義：(1)有確定的頻率；(2)振幅在空間的相對(duì)分布是確定的，不隨時(shí)間而改變；(3)相位在空間的相對(duì)分布是確定的，不隨時(shí)間而改變。第70頁(yè)/共111頁(yè)222qLn(0,1,3,.)q n：腔內(nèi)折射率，q：縱模階數(shù)，由于 ，故q一般很大。 ：q階縱模振蕩頻率。相鄰兩縱模間的頻率間隔：LqnLcq2腔長(zhǎng)L確定后，不管頻率為多少，頻率間隔都不變。并非所有頻率都能振蕩，只有落在增益曲線線寬(即閾值條件)范圍內(nèi)的才能形成實(shí)際振蕩(如圖)。(a)展寬的激光器躍遷線型 （b）腔體的振蕩模式(c)激光器輸出的縱模 并非一個(gè)諧振腔中所有頻率電磁波都能產(chǎn)生振蕩，只有滿足

60、相長(zhǎng)干涉條件的光波才能在腔內(nèi)的來(lái)回反射中形成穩(wěn)定分布和獲得最大強(qiáng)度： (1)縱模第71頁(yè)/共111頁(yè)實(shí)際振蕩縱模數(shù)為： 1qTq式中， 表示對(duì)其內(nèi)部分取整， 為增益線寬。T實(shí)際應(yīng)用中常需要單色性極好、頻率穩(wěn)定度極高的激光器，即單模工作激光器。由上式可知，只要 即可。實(shí)現(xiàn)單模方法： 使激光器工作在閾值附近，使激光器工作在閾值附近，飽和增益低，輸出功率少；飽和增益低，輸出功率少； 采用短腔激光器采用短腔激光器(如如10cm左右左右He-Ne)，總增益也不很高，故輸出功率也較低總增益也不很高，故輸出功率也較低。1qT第72頁(yè)/共111頁(yè) 穩(wěn)定腔中激光模光場(chǎng)分布求解方法： 衍射積分法衍射積分法求解菲涅