激光基本知識(shí)與選模課件

第二講激光原理與選模段作梁電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系第二講激光原理與選模段作梁電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系1主要內(nèi)容一、激光歷史回顧二、激光原理簡(jiǎn)述三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用四、激光模式的選擇

主要內(nèi)容一、激光歷史回顧2激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù),并列為二十世紀(jì)最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強(qiáng)有力工具。與電子電力技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)的完美結(jié)合，使激光技術(shù)能夠更好的為人類創(chuàng)造美好生活。

一、激光的歷史回顧激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù),并列為二十3（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺(tái)紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器，從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。光是（波長(zhǎng)較短的）電磁波

“激光”（LASER）一詞是受激輻射光放大（LightAmplificationbyStimul450多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。50多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)5該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的發(fā)明1971:DennisGabor,激光全息術(shù)1981:洛.布隆姆貝根,激光光譜學(xué)1997:朱隸文等三人,激光冷卻和陷俘原子

說明:朱隸文系美籍華人,1948年生于密蘇里州,其父臺(tái)灣中央研究院院士

2005：羅伊·格勞伯，對(duì)光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn)約翰·霍爾、奧多爾·漢斯：基于激光的精密光譜學(xué)研究該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)6

授予在光學(xué)領(lǐng)域的理論和應(yīng)用方面做出貢獻(xiàn)的兩名美國(guó)人和一名德國(guó)人。他們是：哈佛大學(xué)羅伊·格勞伯（下圖左）、科羅拉多大學(xué)約翰·霍爾和德國(guó)路德維希-馬克西米利安大學(xué)特奧多爾·漢斯（下圖右）。格勞伯是因?yàn)椤皩?duì)光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn)”而獲獎(jiǎng)，他的研究不僅為新興的量子光學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，他和其他科學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究成果，也有望在未來用于開發(fā)更加安全的通信加密技術(shù)?；魻柡蜐h斯獲獎(jiǎng)是因?yàn)閷?duì)基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，使“光梳”等技術(shù)的測(cè)量精度有望進(jìn)一步提高，并將在很多領(lǐng)域找到用武之地。這些技術(shù)有望改進(jìn)現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)，提高太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度。另外，類似的超高精度測(cè)量技術(shù)，也可能應(yīng)用于研究物質(zhì)和反物質(zhì)的關(guān)系，以及用于檢測(cè)某些自然界常數(shù)可能產(chǎn)生的變化。2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予在光學(xué)領(lǐng)域的理論和應(yīng)用方面做出貢獻(xiàn)的兩名美國(guó)人和一名7

二、激光原理簡(jiǎn)述

按量子力學(xué)原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個(gè)定態(tài)之間進(jìn)行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。光子與物質(zhì)原子相互作用過程中，存在三種類型的躍遷。即：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2二、激光原理簡(jiǎn)述E1E3E28

如圖1-1所示，有一個(gè)原子開始時(shí)處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個(gè)外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)——激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為原子吸收。值得注意的是，只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級(jí)之差時(shí)，光子才能被吸收。原子吸收

E1E3E2圖1-1原子吸收示意圖hvE1E3E2 如圖1-1所示，有一個(gè)原子開始時(shí)處于基態(tài)E1，若不存在任何9

與經(jīng)典力學(xué)中的觀點(diǎn)類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們?cè)诩ぐl(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短（數(shù)量級(jí)約為10-8s），之后，會(huì)自發(fā)地返回基態(tài)去，同時(shí)放出一個(gè)光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。原子在激發(fā)態(tài)的平均停留時(shí)間稱之為激發(fā)態(tài)的壽命。hv圖1-2自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射與經(jīng)典力學(xué)中的觀點(diǎn)類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定10自發(fā)輻射的特點(diǎn)：這種過程與外界作用無(wú)關(guān)。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時(shí)，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的特點(diǎn)：11受激輻射處于激發(fā)態(tài)的原子，在其發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時(shí)放出一個(gè)與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。如圖1-3所示。這一過程被稱為受激輻射。

Lightorlaser無(wú)輻射躍遷E1E2hvE1E2hvhv圖1-3受激輻射示意圖受激輻射Lightorlaser無(wú)輻射躍遷E12hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖

這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個(gè)光子，可以得到兩個(gè)狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個(gè)光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。圖1-4就是受激輻射光放大的示意圖。受激輻射的特點(diǎn)：hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖13（1）選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；（2）選擇一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對(duì)所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強(qiáng)度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。這些閾值條件大體包括：減少損耗，加快抽運(yùn)速度，促進(jìn)（粒子數(shù)）反轉(zhuǎn)等。像工作物質(zhì)的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。Lightorlaser無(wú)輻射躍遷產(chǎn)生激光的必要條件：（1）選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成14

1.單向性極好：普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布在全空間4立體角內(nèi)。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-5～10-8球面度。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展為幾個(gè)厘米，而普通探照燈光束直徑則已經(jīng)擴(kuò)展為幾十米。激光的單向性是由受激輻射原理和諧振腔的方向選擇作用所決定的。激光這種良好的單向性可用于定位、測(cè)距、導(dǎo)航等。

激光的特性：1.單向性極好：普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布15

2.單色性極強(qiáng)：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，單色性最好的氪燈（86Kr）的譜線寬度為4.7×10-3納米。而氦氖激光器發(fā)射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。若從多模激光束中提取單模激光，再采取穩(wěn)頻技術(shù)措施，還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。利用激光良好的單色特性，可以作為計(jì)量工作的基準(zhǔn)光源。例如，用單色、穩(wěn)頻激光器作為光頻計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，它在一年內(nèi)的計(jì)時(shí)誤差不超過1微秒，大大超過原子鐘的計(jì)時(shí)精度。圖1-5普通光源熒光光譜，譜線寬度約為：150nm600800400λnm熒光光譜2.單色性極強(qiáng)：圖1-5普通光源熒光光譜，譜線寬度約163.高亮度：光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)間內(nèi)沿單位立體角所發(fā)射的能量，普通光源的亮度相當(dāng)?shù)?，例如，太?yáng)表面的亮度比蠟燭大30萬(wàn)倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺(tái)普通的激光器的輸出亮度，比太陽(yáng)表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不一定很高，但由于光束很細(xì)，光脈沖窄，光功率密度卻非常大。圖1-6理想鎖?？色@得窄脈沖激光3.高亮度：圖1-6理想鎖?？色@得窄脈沖激光17

由于激光光源使光能量在時(shí)間和空間上高度集中，因此，能在直徑極小的區(qū)域內(nèi)（10-3毫米）產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。從一個(gè)功率為1kw的CO2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦以后，在幾秒鐘內(nèi)就可以將5cm厚的鋼板燒穿。工業(yè)上利用激光高亮度的特性，在金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化等方面的應(yīng)用近年來有很大的發(fā)展。由于激光光源使光能量在時(shí)間和空間上高度集中，因此，能184.相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長(zhǎng)度只有幾個(gè)厘米，而激光的相干長(zhǎng)度則可以達(dá)到幾十公里，比普通光源大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此也可以說激光具有非常好的相干性。用激光做光源進(jìn)行光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)，可以得到非常好的效果。另外，激光問世以來，推動(dòng)了全息光學(xué)技術(shù)、激光光譜技術(shù)的發(fā)展。由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統(tǒng)光源的種種局限性，引起了現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性發(fā)展。同時(shí)促進(jìn)了包括化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工與檢測(cè)技術(shù)、軍事等科學(xué)的迅速發(fā)展。

4.相干性好：19激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)20實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：激勵(lì)源(泵浦或抽運(yùn))：用來實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。有電激勵(lì)，光激勵(lì)，熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等

激勵(lì)--從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級(jí)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程（又稱“激發(fā)”、“抽運(yùn)”或“泵浦”）。

1）光泵抽運(yùn)如紅寶石激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2E1E2實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：激勵(lì)源(泵浦或抽運(yùn))：用來實(shí)現(xiàn)和維212）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學(xué)反應(yīng)如氟化氘激光器等。4）共振轉(zhuǎn)移如He--Ne激光器。--NeHe--NeHe--2）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學(xué)反22三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用光腔的作用:

放大---使某一頻率的光多次往返傳播,激勵(lì)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì),造成連鎖反應(yīng),以實(shí)現(xiàn)光放大.泵浦光輸出激光對(duì)激光100%反射有小部分激光透射選向---將傳播方向偏離光軸方向太多的光子淘汰掉,使得到的激光是一束方向性很好的光.選頻---反射鏡鍍上多層膜,膜厚度λ/4,使反射最強(qiáng),形成穩(wěn)定振蕩并不斷加強(qiáng),得到單色性好的激光三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用光腔的作用:泵浦光輸出激光23諧振腔的選擇：衍射損耗模體積腔體鏡面的安裝典型的激光器諧振腔諧振腔的種類：平行平面腔同心球面腔共焦諧振腔長(zhǎng)半徑球面腔半球型諧振腔平凹穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔諧振腔的選擇：衍射損耗典型的激光器諧振腔諧振腔的種類：平行24平行平面腔結(jié)構(gòu)示意圖平行平面腔的優(yōu)勢(shì):模體積大;腔內(nèi)激光輻射沒有聚焦現(xiàn)象平行平面腔的劣勢(shì):鏡面調(diào)整難度高;衍射損耗高平行平面腔主要應(yīng)用于高功率脈沖激光器!!平行平面腔平行平面腔結(jié)構(gòu)示意圖平行平面腔的優(yōu)勢(shì):模體積大;腔內(nèi)25同心球面腔結(jié)構(gòu)示意圖同心球面腔主要應(yīng)用于連續(xù)工作的染料激光器泵浦激光器.同心球面腔的優(yōu)勢(shì):

衍射損耗低;易于安裝調(diào)整同心球面腔的劣勢(shì):

模體積小;腔內(nèi)產(chǎn)生光輻射聚焦現(xiàn)象同心球面腔同心球面腔結(jié)構(gòu)示意圖同心球面腔主要應(yīng)用于連續(xù)工作的染料激光器26

共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應(yīng)用于連續(xù)工作的激光器共焦諧振腔的性能介于平行平面腔與球面腔之間，其特點(diǎn)如下：

1）鏡面較易安裝、調(diào)整；2）較低的衍射損耗；3）腔內(nèi)沒有過高的輻射聚焦現(xiàn)象；4）模體積適度；共焦諧振腔共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應(yīng)用于連續(xù)工作的激光器共焦諧27

長(zhǎng)半徑球面腔示意圖長(zhǎng)半徑球面諧振腔適于連續(xù)工作的激光器長(zhǎng)半徑球面諧振腔的性能介于共焦腔與球面腔之間，它的特點(diǎn)如下：

1）中等的衍射損耗；2）較易安裝調(diào)整；3）模體積很大；4）腔內(nèi)沒有很高的光輻射聚焦現(xiàn)象；長(zhǎng)半徑球面腔長(zhǎng)半徑球面腔示意圖長(zhǎng)半徑球面諧振腔適于連續(xù)工作的激光器長(zhǎng)半28半球型諧振腔半球型諧振腔主要應(yīng)用于低功率氦氖激光器半球型諧振腔的特點(diǎn)：

易于安裝調(diào)整、衍射損耗低、成本低

半球型諧振腔半球型諧振腔半球型諧振腔主要應(yīng)用于低功率氦氖激光器半球型諧振29平凹穩(wěn)定腔示意圖

平凹穩(wěn)定腔一般應(yīng)用與連續(xù)激光器；大多數(shù)情況下:R1

>2L平凹穩(wěn)定腔的特點(diǎn)：

模體積較大且具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)平凹穩(wěn)定腔平凹穩(wěn)定腔示意圖平凹穩(wěn)定腔一般應(yīng)用與連續(xù)激光器；大多數(shù)情況30連續(xù)高功率二氧化碳激光器的非穩(wěn)定諧振腔非穩(wěn)定腔連續(xù)高功率二氧化碳激光器的非穩(wěn)定諧振腔非穩(wěn)定腔31光腔的損耗幾何損耗衍射損耗腔鏡反射不完全引起的損耗非激活吸收散射等其他損耗選擇性損耗，與橫模有關(guān)非選擇性損耗，與光波模式無(wú)關(guān)損耗的大小是評(píng)價(jià)諧振腔的一個(gè)重要指標(biāo)，在激光振蕩中，光腔的損耗決定了振蕩的閾值和激光的輸出能量，也是腔模理論的重要研究課題.光學(xué)諧振腔的損耗光腔的損耗幾何損耗選擇性損耗，與橫模有關(guān)非選擇性損耗，與光32（1）幾何損耗：光線在腔內(nèi)往返傳播時(shí)，可能從腔的側(cè)面偏折出去而引起損耗。

決定其大小的因素：腔的類型和幾何尺寸；（2）衍射損耗：腔鏡邊緣、插入光學(xué)元件的邊緣、孔徑及光闌的衍射效應(yīng)產(chǎn)生的損耗。

決定其大小的因素：腔的菲涅耳數(shù)有關(guān)、腔的幾何參數(shù)有關(guān)、橫模的階數(shù)有關(guān)。(模的階次越高，衍射損耗越大，基模的衍射損耗最小)。（1）幾何損耗：光線在腔內(nèi)往返傳播時(shí)，可能從腔的側(cè)面33例子：例子：34YAG激光器的腔體結(jié)構(gòu)圖YAG激光器的腔體結(jié)構(gòu)圖35

氦氖氣體激光器是四能級(jí)系統(tǒng)氖原子在間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移氦氖氣體激光器是四能級(jí)系統(tǒng)氖原子在間實(shí)現(xiàn)36四、激光模式的選擇振蕩模式是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式，用TEMmnq表示。

m和n表征該模式在垂直于腔軸內(nèi)形成駐波的節(jié)點(diǎn)數(shù),稱橫模數(shù)。

q表示該模式在光腔軸的平面內(nèi)形成的節(jié)點(diǎn)數(shù)，稱縱模數(shù)。1.縱模能引起振蕩的頻率關(guān)系2.橫模光場(chǎng)在橫向不同的穩(wěn)定分布。四、激光模式的選擇振蕩模式是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光37IxyITEM00橫模IyIxTEM10yIIxTEM11IxyITEM00橫模IyIxTEM10yIIxTEM1138縱模諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)折射率n，腔長(zhǎng)l駐波條件：縱模大?。嚎v模間隔：縱模諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)折射率n，腔長(zhǎng)l縱模大?。嚎v模間隔：39小結(jié)：形成穩(wěn)定激光振蕩的條件激光工作物質(zhì)：有提供放大作用的增益介質(zhì)作激光工作物質(zhì)；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：外界激勵(lì)源作用使上下能級(jí)之間產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)；

（形成激光的內(nèi)部條件）激光諧振腔：使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。

（形成激光的外部條件）小結(jié)：形成穩(wěn)定激光振蕩的條件激光工作物質(zhì)：有提供放大作用的增40光波模式的描述（駐波條件）；激光的四個(gè)基本特點(diǎn):(單色性好；方向性好；相干性好；亮度高）；輻射躍遷(光和物質(zhì)相互作用)包括的三種基本過程；自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收，三個(gè)愛因斯坦系數(shù)及其相互關(guān)系;自發(fā)輻射和受激輻射的特點(diǎn)，自發(fā)輻射和受激輻射強(qiáng)度的比較;單色輻射能量密度的概念和普朗克黑體輻射能量密度;實(shí)現(xiàn)受激光放大的條件;激光器的基本結(jié)構(gòu)，各有何作用;激光的橫模與縱模；激光空間與時(shí)間相干性的。光波模式的描述（駐波條件）；41第二講激光原理與選模段作梁電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系第二講激光原理與選模段作梁電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系42主要內(nèi)容一、激光歷史回顧二、激光原理簡(jiǎn)述三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用四、激光模式的選擇

主要內(nèi)容一、激光歷史回顧43激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù),并列為二十世紀(jì)最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強(qiáng)有力工具。與電子電力技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)的完美結(jié)合，使激光技術(shù)能夠更好的為人類創(chuàng)造美好生活。

一、激光的歷史回顧激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù),并列為二十44（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺(tái)紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器，從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。光是（波長(zhǎng)較短的）電磁波

“激光”（LASER）一詞是受激輻射光放大（LightAmplificationbyStimul4550多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。50多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)46該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的發(fā)明1971:DennisGabor,激光全息術(shù)1981:洛.布隆姆貝根,激光光譜學(xué)1997:朱隸文等三人,激光冷卻和陷俘原子

說明:朱隸文系美籍華人,1948年生于密蘇里州,其父臺(tái)灣中央研究院院士

2005：羅伊·格勞伯，對(duì)光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn)約翰·霍爾、奧多爾·漢斯：基于激光的精密光譜學(xué)研究該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)47

授予在光學(xué)領(lǐng)域的理論和應(yīng)用方面做出貢獻(xiàn)的兩名美國(guó)人和一名德國(guó)人。他們是：哈佛大學(xué)羅伊·格勞伯（下圖左）、科羅拉多大學(xué)約翰·霍爾和德國(guó)路德維希-馬克西米利安大學(xué)特奧多爾·漢斯（下圖右）。格勞伯是因?yàn)椤皩?duì)光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn)”而獲獎(jiǎng)，他的研究不僅為新興的量子光學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，他和其他科學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究成果，也有望在未來用于開發(fā)更加安全的通信加密技術(shù)。霍爾和漢斯獲獎(jiǎng)是因?yàn)閷?duì)基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，使“光梳”等技術(shù)的測(cè)量精度有望進(jìn)一步提高，并將在很多領(lǐng)域找到用武之地。這些技術(shù)有望改進(jìn)現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)，提高太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度。另外，類似的超高精度測(cè)量技術(shù)，也可能應(yīng)用于研究物質(zhì)和反物質(zhì)的關(guān)系，以及用于檢測(cè)某些自然界常數(shù)可能產(chǎn)生的變化。2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予在光學(xué)領(lǐng)域的理論和應(yīng)用方面做出貢獻(xiàn)的兩名美國(guó)人和一名48

二、激光原理簡(jiǎn)述

按量子力學(xué)原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個(gè)定態(tài)之間進(jìn)行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。光子與物質(zhì)原子相互作用過程中，存在三種類型的躍遷。即：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2二、激光原理簡(jiǎn)述E1E3E249

如圖1-1所示，有一個(gè)原子開始時(shí)處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個(gè)外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)——激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為原子吸收。值得注意的是，只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級(jí)之差時(shí)，光子才能被吸收。原子吸收

E1E3E2圖1-1原子吸收示意圖hvE1E3E2 如圖1-1所示，有一個(gè)原子開始時(shí)處于基態(tài)E1，若不存在任何50

與經(jīng)典力學(xué)中的觀點(diǎn)類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們?cè)诩ぐl(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短（數(shù)量級(jí)約為10-8s），之后，會(huì)自發(fā)地返回基態(tài)去，同時(shí)放出一個(gè)光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。原子在激發(fā)態(tài)的平均停留時(shí)間稱之為激發(fā)態(tài)的壽命。hv圖1-2自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射與經(jīng)典力學(xué)中的觀點(diǎn)類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定51自發(fā)輻射的特點(diǎn)：這種過程與外界作用無(wú)關(guān)。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時(shí)，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的特點(diǎn)：52受激輻射處于激發(fā)態(tài)的原子，在其發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時(shí)放出一個(gè)與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。如圖1-3所示。這一過程被稱為受激輻射。

Lightorlaser無(wú)輻射躍遷E1E2hvE1E2hvhv圖1-3受激輻射示意圖受激輻射Lightorlaser無(wú)輻射躍遷E53hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖

這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個(gè)光子，可以得到兩個(gè)狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個(gè)光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。圖1-4就是受激輻射光放大的示意圖。受激輻射的特點(diǎn)：hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖54（1）選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；（2）選擇一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對(duì)所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強(qiáng)度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。這些閾值條件大體包括：減少損耗，加快抽運(yùn)速度，促進(jìn)（粒子數(shù)）反轉(zhuǎn)等。像工作物質(zhì)的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。Lightorlaser無(wú)輻射躍遷產(chǎn)生激光的必要條件：（1）選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成55

1.單向性極好：普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布在全空間4立體角內(nèi)。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-5～10-8球面度。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展為幾個(gè)厘米，而普通探照燈光束直徑則已經(jīng)擴(kuò)展為幾十米。激光的單向性是由受激輻射原理和諧振腔的方向選擇作用所決定的。激光這種良好的單向性可用于定位、測(cè)距、導(dǎo)航等。

激光的特性：1.單向性極好：普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布56

2.單色性極強(qiáng)：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，單色性最好的氪燈（86Kr）的譜線寬度為4.7×10-3納米。而氦氖激光器發(fā)射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。若從多模激光束中提取單模激光，再采取穩(wěn)頻技術(shù)措施，還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。利用激光良好的單色特性，可以作為計(jì)量工作的基準(zhǔn)光源。例如，用單色、穩(wěn)頻激光器作為光頻計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，它在一年內(nèi)的計(jì)時(shí)誤差不超過1微秒，大大超過原子鐘的計(jì)時(shí)精度。圖1-5普通光源熒光光譜，譜線寬度約為：150nm600800400λnm熒光光譜2.單色性極強(qiáng)：圖1-5普通光源熒光光譜，譜線寬度約573.高亮度：光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)間內(nèi)沿單位立體角所發(fā)射的能量，普通光源的亮度相當(dāng)?shù)?，例如，太?yáng)表面的亮度比蠟燭大30萬(wàn)倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺(tái)普通的激光器的輸出亮度，比太陽(yáng)表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不一定很高，但由于光束很細(xì)，光脈沖窄，光功率密度卻非常大。圖1-6理想鎖?？色@得窄脈沖激光3.高亮度：圖1-6理想鎖模可獲得窄脈沖激光58

由于激光光源使光能量在時(shí)間和空間上高度集中，因此，能在直徑極小的區(qū)域內(nèi)（10-3毫米）產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。從一個(gè)功率為1kw的CO2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦以后，在幾秒鐘內(nèi)就可以將5cm厚的鋼板燒穿。工業(yè)上利用激光高亮度的特性，在金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化等方面的應(yīng)用近年來有很大的發(fā)展。由于激光光源使光能量在時(shí)間和空間上高度集中，因此，能594.相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長(zhǎng)度只有幾個(gè)厘米，而激光的相干長(zhǎng)度則可以達(dá)到幾十公里，比普通光源大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此也可以說激光具有非常好的相干性。用激光做光源進(jìn)行光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)，可以得到非常好的效果。另外，激光問世以來，推動(dòng)了全息光學(xué)技術(shù)、激光光譜技術(shù)的發(fā)展。由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統(tǒng)光源的種種局限性，引起了現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性發(fā)展。同時(shí)促進(jìn)了包括化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工與檢測(cè)技術(shù)、軍事等科學(xué)的迅速發(fā)展。

4.相干性好：60激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)61實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：激勵(lì)源(泵浦或抽運(yùn))：用來實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。有電激勵(lì)，光激勵(lì)，熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等

激勵(lì)--從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級(jí)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程（又稱“激發(fā)”、“抽運(yùn)”或“泵浦”）。

1）光泵抽運(yùn)如紅寶石激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2E1E2實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：激勵(lì)源(泵浦或抽運(yùn))：用來實(shí)現(xiàn)和維622）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學(xué)反應(yīng)如氟化氘激光器等。4）共振轉(zhuǎn)移如He--Ne激光器。--NeHe--NeHe--2）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學(xué)反63三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用光腔的作用:

放大---使某一頻率的光多次往返傳播,激勵(lì)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì),造成連鎖反應(yīng),以實(shí)現(xiàn)光放大.泵浦光輸出激光對(duì)激光100%反射有小部分激光透射選向---將傳播方向偏離光軸方向太多的光子淘汰掉,使得到的激光是一束方向性很好的光.選頻---反射鏡鍍上多層膜,膜厚度λ/4,使反射最強(qiáng),形成穩(wěn)定振蕩并不斷加強(qiáng),得到單色性好的激光三、諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用光腔的作用:泵浦光輸出激光64諧振腔的選擇：衍射損耗模體積腔體鏡面的安裝典型的激光器諧振腔諧振腔的種類：平行平面腔同心球面腔共焦諧振腔長(zhǎng)半徑球面腔半球型諧振腔平凹穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔諧振腔的選擇：衍射損耗典型的激光器諧振腔諧振腔的種類：平行65平行平面腔結(jié)構(gòu)示意圖平行平面腔的優(yōu)勢(shì):模體積大;腔內(nèi)激光輻射沒有聚焦現(xiàn)象平行平面腔的劣勢(shì):鏡面調(diào)整難度高;衍射損耗高平行平面腔主要應(yīng)用于高功率脈沖激光器!!平行平面腔平行平面腔結(jié)構(gòu)示意圖平行平面腔的優(yōu)勢(shì):模體積大;腔內(nèi)66同心球面腔結(jié)構(gòu)示意圖同心球面腔主要應(yīng)用于連續(xù)工作的染料激光器泵浦激光器.同心球面腔的優(yōu)勢(shì):

衍射損耗低;易于安裝調(diào)整同心球面腔的劣勢(shì):

模體積小;腔內(nèi)產(chǎn)生光輻射聚焦現(xiàn)象同心球面腔同心球面腔結(jié)構(gòu)示意圖同心球面腔主要應(yīng)用于連續(xù)工作的染料激光器67

共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應(yīng)用于連續(xù)工作的激光器共焦諧振腔的性能介于平行平面腔與球面腔之間，其特點(diǎn)如下：

1）鏡面較易安裝、調(diào)整；2）較低的衍射損耗；3）腔內(nèi)沒有過高的輻射聚焦現(xiàn)象；4）模體積適度；共焦諧振腔共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應(yīng)用于連續(xù)工作的激光器共焦諧68

長(zhǎng)半徑球面腔示意圖長(zhǎng)半徑球面諧振腔適于連續(xù)工作的激光器長(zhǎng)半徑球面諧振腔的性能介于共焦腔與球面腔之間，它的特點(diǎn)如下：

1）中等的衍射損耗；2）較易安裝調(diào)整；3）模體積很大；4）腔內(nèi)沒有很高的光輻射聚焦現(xiàn)象；長(zhǎng)半徑球面腔長(zhǎng)半徑球面腔示意圖長(zhǎng)半徑球面諧振腔適于連續(xù)工作的激光器長(zhǎng)半69半球型諧振腔半球型諧振腔主要應(yīng)用于低功率氦氖激光器半球型諧振腔的特點(diǎn)：

易于安裝調(diào)整、衍射損耗低、成本低

半球型諧振腔半球型諧振腔半球型諧振腔主要應(yīng)用于低功率氦氖激光器半球型諧振70平凹穩(wěn)定腔示意圖

平凹穩(wěn)定腔一般應(yīng)用與連續(xù)激光器；大多數(shù)情況下:R1

>2L平凹穩(wěn)定腔的特點(diǎn)：

模體積較大且具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)平凹穩(wěn)定腔平凹穩(wěn)定腔示意圖平凹穩(wěn)定腔一般應(yīng)用與連續(xù)激光器；大多數(shù)情況71連續(xù)高功率二氧化碳激光器的非穩(wěn)定諧振腔非穩(wěn)定腔連續(xù)高功率二氧