激光原理論文

1、激光原理課程論文激光構(gòu)成思想及產(chǎn)生的必要條件原理概述學(xué) 校：西 北 大 學(xué)院 系：物 理 學(xué) 系 專 業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)姓 名： 相 輝 學(xué) 號： 2008112101摘要：激光作為新型強(qiáng)相干光源的出現(xiàn)，是現(xiàn)代信息光學(xué)發(fā)展的三大事件之一。激光器所輻射的光束因具有高方向性、高單色性、高亮度、高相干性四大宏觀特性導(dǎo)致了光學(xué)領(lǐng)域的巨大革命，同時(shí)對整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展起到了巨大幫助，已被廣泛的運(yùn)用到了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)、國防等各個(gè)領(lǐng)域，帶動(dòng)了許多新興學(xué)科的發(fā)展。激光的誕生是一種巧妙的設(shè)計(jì)，激光的產(chǎn)生綜合考慮了各種問題，創(chuàng)造性地解決了物質(zhì)自然狀態(tài)下的很多難題。然而，它的構(gòu)成思想又是樸素的，所選

2、擇的器件也是有針對性、有方向性的，它表現(xiàn)出來的宏觀特性又是神奇和具有廣泛用途的。本文介紹激光的構(gòu)成思想，闡述了激光工作原理和實(shí)現(xiàn)激光產(chǎn)生的種種必要條件，諸如粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件、諧振腔穩(wěn)定條件、振蕩條件等，并說明了激光器件各部分的功能作用及四大宏觀特性的產(chǎn)生原因。 關(guān)鍵詞： 受激放大 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 增益 諧振腔穩(wěn)定條件 振蕩條件 宏觀特性一、 激光器的構(gòu)成思想及組成部分激光要實(shí)現(xiàn)的是光子受激放大輻射。首先原子要產(chǎn)生光子，而且是從高能級向低能級躍遷，同時(shí)把變化的能量以光子的形式釋放出來，這是激光形成的基礎(chǔ)。然后，要對光子數(shù)密度進(jìn)行不斷放大，很快將極強(qiáng)的激光震蕩而輸出。但是，在一般情況下，自發(fā)輻射的幾率遠(yuǎn)

3、遠(yuǎn)大于受激輻射幾率，而且通過提高溫度的辦法使得受激輻射超過自發(fā)輻射是不可能的，這就需要能夠容易產(chǎn)生光子的激光工作物質(zhì)，同時(shí)需要在熱平衡條件下對工作物質(zhì)增加一個(gè)激勵(lì)系統(tǒng)，打破熱平衡狀態(tài)下的玻爾茲曼分布，形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，使得工作物質(zhì)對光子的吸收為主變?yōu)閷庾拥姆糯蟪^吸收。為了實(shí)現(xiàn)放大輻射，就要提高光子簡并度，因?yàn)楣ぷ魑镔|(zhì)不可能做得太長，但是可以增加通過工作物質(zhì)的次數(shù)使得光子數(shù)密度增大，這就需要有諧振腔，由兩面發(fā)射鏡組成的反饋光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)，為了提高同一狀態(tài)內(nèi)的光子數(shù)，必須大大減少諧振腔內(nèi)的模式密度，這就需要將諧振腔做成開放式諧振腔，使得偏離光軸方向傳播的光波模式損失掉，只保留少數(shù)沿光軸方向傳

4、播的模式。綜上，激光的產(chǎn)生過程是：激光工作物質(zhì)在泵浦源的激勵(lì)下被激活，即介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的兩能級和之間，由自發(fā)輻射過程產(chǎn)生很微弱的特定頻率（）的光輻射。在自發(fā)輻射光子的感應(yīng)下，在上下能級和之間產(chǎn)生受激輻射。這種受激輻射光子與自發(fā)輻射光子的性質(zhì)（頻率、相位、偏振、傳播方向）完全相同，很快由這些光輻射在介質(zhì)中產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，由于諧振腔的作用，這些光子在腔內(nèi)多次往返經(jīng)過介質(zhì)，產(chǎn)生更多的同類光子密度，因此就可能使某類光子的受激輻射成為介質(zhì)中占絕對優(yōu)勢的一種輻射，從而從諧振腔的部分透射鏡端輸出光能，這就是激光。因此，各種激光器的基本組成部分有：（1）工作物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生激

5、光的物質(zhì)體系，是激光器的心臟；（2）激勵(lì)系統(tǒng)，激光系統(tǒng)能源的供應(yīng)者，并以一定方式促成激光工作物質(zhì)處于粒子束反轉(zhuǎn)狀態(tài)；（3）光學(xué)諧振腔：提供光學(xué)反饋條件，并對于激光器的振蕩波形進(jìn)行選擇和限制。二、 激光產(chǎn)生的必要條件原理1. 光放大條件：粒子束反轉(zhuǎn)假設(shè)有一個(gè)二能級系統(tǒng)，在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)下，分布在各能級上的原子個(gè)數(shù)的多少服從玻爾茲曼分布： (1)為光波模式數(shù)。在通常情況下，低能級的原子數(shù)密度總是大于高能級的原子數(shù)密度，即，則總是有： （2）這是光通過介質(zhì)時(shí)，吸收過程總大于光的受激輻射過程。如果在外來能量激發(fā)下，使物質(zhì)中處于高能級的原子數(shù)密度大于處于低能級原子數(shù)密度，即， 或者 （3）光的受激輻

6、射大于光的吸收，使物質(zhì)的輸出能量大于入射光能量，這就是光放大過程，就是反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。此時(shí)的介質(zhì)為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。對于（1）式，因，要使（2）（3）式成立，介質(zhì)溫度滿足，所以粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)又稱為負(fù)溫度狀態(tài)。假設(shè)粒子在高能級和低能級上的壽命和分別與它們自發(fā)輻射系數(shù)和成反比，即 ，。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到能級的粒子數(shù)為，由于自發(fā)輻射影響，處于上的粒子個(gè)數(shù)保持不變，單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到能級上的粒子數(shù)必須等于自發(fā)輻射消耗的粒子數(shù)個(gè)數(shù)，即： ，同理得： 。由這兩個(gè)關(guān)系得：，帶入到（3）式得： （4） （4）式也是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件表達(dá)式。由此式得，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要求在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到上能級的粒子數(shù)愈多愈好

7、，躍遷到下能級的粒子數(shù)愈少愈好；上能級的壽命愈長愈好，愈小愈好。因此在選擇激光物質(zhì)時(shí)，要求其激光上能級壽命要長，粒子數(shù)要多，下能級粒子要少，壽命要短。2、光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定條件 基本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)有一定間距的共軸球面反射鏡所構(gòu)成。激光束在共軸球面腔內(nèi)經(jīng)過多次往返后，若光束位置仍緊靠光軸，始終保持在腔內(nèi)而很少逸出腔外，則光學(xué)諧振腔穩(wěn)定。共軸球面鏡腔的穩(wěn)定條件:對于穩(wěn)定的諧振腔，要求任意近軸光線在腔內(nèi)往返多次之后，其坐標(biāo)參數(shù)應(yīng)保持有限。因此能過分析傳播矩陣的矩陣元，可以判斷諧振腔的穩(wěn)定性并建立穩(wěn)定條件。按照的定義，近軸光線在腔內(nèi)往返一次與次后的坐標(biāo)變換分別為 ， （5）上述方程是線性的，所以它們

8、的通解可以表示為兩個(gè)線性無關(guān)的特解的線性組合，如果兩個(gè)特解都是有界的，那么通解也是有界的。二階矩陣的特征值與相應(yīng)的特征矢量將組成上述方程的特解與通解。令的特征值為與，相應(yīng)的特征矢量分別為與，則有 ， （6）即特征矢量在腔內(nèi)往返一次后的變化，就簡單地等于乘以相應(yīng)的特征值。方程(5)的通解即為和的線性迭加。設(shè)由上式知，如果一初始近軸光線在腔內(nèi)往返次（可以趨于無窮）而保持有限，則的特征值與的絕對值必須不大于1。T 的特征方程為： 運(yùn)算此方程，并注意到，則可得 : (7)根據(jù)韋達(dá)定理，此方程的兩個(gè)根與滿足:所以，如果是方程的根，則也是方程的根。因此（7）式的根不是和之一，就是 ，這里與都是實(shí)數(shù)。從方程

9、（7）可以看出，若矩陣的跡的絕對值 (8)則: 或，其中滿足或。若，則，其中滿足 (9) 對穩(wěn)定序列，光束在傳播過程中是有界的，傳播矩陣的各矩陣元取有限實(shí)數(shù)時(shí)，近軸光線在腔中往返多次后不會(huì)橫向逸出腔外；對于不穩(wěn)定序列，方程中的三角函數(shù)變成雙曲函數(shù)，表明光束通過光學(xué)元件序列時(shí)越來越發(fā)散，光束將逸出光學(xué)諧振腔外，光束傳播無界。則由（9）式可得光線傳輸矩陣滿足： （10）序列是穩(wěn)定的。引入兩個(gè)表示諧振腔的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的因子： ， （11）則： （12）即為光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定條件。3、激光的振蕩條件：（1）諧振條件與駐波條件：根據(jù)光的干涉原理，當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來回反射時(shí)，只有那些在腔內(nèi)往返一次相位改變?yōu)榈?/p>

10、整數(shù)倍的頻率的光，才能獲得穩(wěn)定干涉加強(qiáng)，即：（）。當(dāng)諧振腔內(nèi)充滿折射率為的均勻介質(zhì)，腔長為L，光往返一次的光程為： （13） 相位改變量為： （14）式中，為真空中波長。將（14）式兩邊同乘以光速c，得： （15）式中，q為縱模序數(shù)，取一系列整數(shù)。上述表明，諧振頻率滿足（15）式才能形成干涉加強(qiáng)，使之形成穩(wěn)定的諧波振蕩。當(dāng)諧振腔內(nèi)存在兩列沿軸線相反方向傳播的同頻率、同相位、同振幅、同偏振的光波，兩列波形成駐波，當(dāng)滿足（15）式時(shí)，形成穩(wěn)定的主波場，此時(shí)光學(xué)腔長為半波長的整數(shù)倍，即在光學(xué)諧振腔內(nèi)能穩(wěn)定存在的駐波場光波波長滿足： （16）因?yàn)椋?5）（16）式等價(jià)，因此（15）式又稱為駐波條件。(

11、2)熒光線寬條件： 熒光線寬由物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電子、原子等粒子運(yùn)動(dòng)軌道）所決定，組成物質(zhì)的粒子發(fā)生輻射躍遷，所發(fā)出的輻射波得譜線范圍的頻率寬度，稱為熒光線寬。 （17）其中，為均勻加寬所導(dǎo)致的線寬，為非均勻加寬所導(dǎo)致的線寬。 由于激光振蕩的產(chǎn)生由工作物質(zhì)決定，因而只有在激光工作物質(zhì)輻射的熒光譜線范圍內(nèi)的頻率才能激發(fā)出來，即必須在激活工作物質(zhì)熒光譜線內(nèi)， （18）（3）增益條件： 處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激活工作物質(zhì)對光的放大作用通常用放大增益系數(shù)來描述。設(shè)在光傳播方向上處得光強(qiáng)為，則增益系數(shù)定義為： （19） （11）式表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長率，而且正比于單位體積激活物質(zhì)的凈受激發(fā)射光

12、子數(shù)。光放大時(shí)，同時(shí)總是伴隨著光的損耗存在，損耗系數(shù)用表示，定義為光通過單位距離后光強(qiáng)的衰減百分?jǐn)?shù)，表示為： （20）同時(shí)考慮增益與損耗，則： （21）假設(shè)有微弱光進(jìn)入一無限長放大器，起初光強(qiáng)將按小信號放大規(guī)律增長，但隨著的增加，將由于飽和效應(yīng)而減小。當(dāng)時(shí)，不再增加而達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定極限。由可得： （22）即： （23）由此可看出，只與放大器本身有關(guān)，與初始光強(qiáng)無關(guān)，只要放大器足夠長，總能形成確定大小的光強(qiáng)。這就表明，當(dāng)激光放大器足夠長時(shí)，它可能成為一個(gè)自激振蕩器。一個(gè)激光器能產(chǎn)生自激振蕩的條件，即任一小的光強(qiáng)能形成確定大小的腔內(nèi)光強(qiáng)的條件，當(dāng)時(shí)，即 ： （24）這就是激光器的振蕩條件，即小信號增

13、益系數(shù)大于等于放大器損耗和諧振腔損耗在內(nèi)的總損耗系數(shù)。當(dāng)時(shí)稱為閾值振蕩情況。當(dāng)時(shí)，腔內(nèi)光強(qiáng)就增加，并且正比于。增益與損耗的這對矛盾就成為激光器振蕩與否的決定因素。設(shè)工作物質(zhì)長為，光腔長度為，令（光腔的單程損耗條件），則（24）可寫為： (25)其中，為單程小信號增益。綜上，可將激光振蕩條件概括為： （26）三、 激光組成部分要求及作用 1工作物質(zhì)：要使受激輻射過程成為發(fā)生于某一介質(zhì)中的主導(dǎo)過程，必要條件是在介質(zhì)中造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使介質(zhì)激活。工作物質(zhì)是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生激光的物質(zhì)體系，是激光器的心臟。實(shí)驗(yàn)證明，有各種各樣的物質(zhì)，在一定的外界激勵(lì)條件下，都有可能成為激活介質(zhì)，因而可能產(chǎn)生激

14、光。它們有固體、氣體、液體和半導(dǎo)體。這樣的一些能產(chǎn)生激光的物質(zhì)叫激光工作物質(zhì)。選擇合適的激光工作物質(zhì)是構(gòu)成一臺(tái)激光器的首要物質(zhì)前提。對激光工作物質(zhì)選擇的要求是：光學(xué)均勻性好，對激光波長光學(xué)透明性好，熒光量子效率高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，使用壽命長，導(dǎo)熱系數(shù)大，破壞閾值及制造工藝簡單。為了選擇激光工作物質(zhì)，必須對物質(zhì)作能譜分析。在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。這是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，需要考慮的問題很多，最重要的問題是一種物質(zhì)是否有合適的躍遷能級，即在某兩能級之間可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。一般要求上能級2 E 的自發(fā)輻射壽命大于下能級1 E 的自發(fā)輻射壽命，而且根據(jù)躍遷選擇定則，該兩能級之間的輻射躍遷

15、是被允許的，同時(shí)輻射頻率（）適合我們的要求。2激勵(lì)系統(tǒng)：要使激光工作物質(zhì)成為激活，需要有外界的激勵(lì)作用，即需要激勵(lì)系統(tǒng)。每種激勵(lì)都需要有外加的激勵(lì)源，即泵浦源。它的作用就是使介質(zhì)中處于基態(tài)能級的粒子不斷地被提升到較高的一些激發(fā)態(tài)能級上（這叫做抽運(yùn)過程）使介質(zhì)造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。激勵(lì)方法有光激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。激勵(lì)源的選擇取決于工作物質(zhì)的特點(diǎn)。因而不同工作物質(zhì)往往需要不同的泵浦源。3諧振腔：對大多數(shù)激活介質(zhì)來說，由于受激輻射的放大作用不夠強(qiáng)，光波被受激輻射放大的部分往往被介質(zhì)中的其他損耗因素（如介質(zhì)的雜質(zhì)吸收、散射等）所抵消，因而受激輻射不能成為介質(zhì)中占優(yōu)勢的一種輻射。而諧振腔的作

16、用正是加強(qiáng)介質(zhì)中的受激放大作用。光學(xué)諧振腔是由兩個(gè)反射鏡組成，其一是全反的，另一個(gè)是部分透過的。諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長軸相重合。這樣沿諧振腔軸方向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來回反射，多次反復(fù)地通過激活介質(zhì)，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內(nèi)擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。另外，諧振腔還有限制模式和選擇頻率的作用。沿腔軸往返傳播的光波在腔內(nèi)滿足駐波條件的頻率（）才能振蕩。諧振腔提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔?，使光多次通過腔工作物質(zhì)，不斷被放大，形成往復(fù)持續(xù)的光頻震蕩，同時(shí)對光束有方向和頻率上的限制作用，有效控制腔內(nèi)實(shí)際震蕩的

17、模式數(shù)目，使大量光子集中在少數(shù)幾個(gè)沿軸向、且滿足往返一次位相變化為的整數(shù)倍的光子狀態(tài)數(shù)，提高光子簡并度，控制諧振頻率縱模，控制光束橫向分布特性、光斑大小、光束發(fā)散角，改變腔內(nèi)光束損耗。四、 激光四大宏觀特性的產(chǎn)生原因 激光器所輻射的光束具有四大宏觀特性，這四大宏觀特性是由激光器的設(shè)計(jì)思想和工作原理所決定的。1、高方向性：從激光器的部分反射鏡一端輸出的激光束基本上是沿著與鏡面垂直的方向傳播的，在單模和均勻介質(zhì)中，激光的發(fā)散角已接近衍射極限角。 （27）而激光的遠(yuǎn)場發(fā)散角半角 ： （28） 在數(shù)值上已達(dá)到了以為半徑的光束衍射極限角，實(shí)際上比同樣粗細(xì)的平行光束的衍射極限角還小。2、高單色性：放電管發(fā)

18、射的光波不是單色的，而是有一定的頻率范圍，這頻率范圍內(nèi)的所有頻率，都可以在放電管所發(fā)射的光波中找到，但是，如果把放電管放在光學(xué)諧振腔內(nèi)，由于諧振腔的干涉作用，在發(fā)射出來的光波中，頻率數(shù)目就不是原來那樣多了，只有那些滿足諧振腔共振條件而又落在工作物質(zhì)的譜線寬度內(nèi)的頻率才能形成激光輸出，不滿足共振條件的頻率，都在諧振腔內(nèi)干涉相消了，而且諧振腔內(nèi)總存在工作物質(zhì)，它對出射光波的頻率寬度也起著限制的作用，所以，激光的單色性比較好，激光的單色性定義為或，其中、為激光譜線的中疏頻率和中心波長，和為相應(yīng)的頻率寬度和譜線寬度。單色性的兩個(gè)重要的因素：原子發(fā)光壽命和多普勒效應(yīng)。原子發(fā)光的壽命（即持續(xù)發(fā)光時(shí)間）和所發(fā)光的頻率寬度是成反比的，發(fā)光時(shí)間愈長，則頻率寬度愈窄，頻率寬度愈窄，光波的單色性就愈好。多普勒加寬越小，單色性越好。3、高亮度：光源的單色輻射亮度定義為： （29）表示單位面積的光源在其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)傳輸?shù)妮椛涔β?。影響亮度的三個(gè)要素是：光束立體角，發(fā)光時(shí)間和光譜范圍的寬窄。因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角很?。ㄓ筛叻较蛐钥芍l(fā)光的時(shí)間很短，而且光譜寬度很窄（由高單色性可知），使能量在時(shí)間、空間