激光基礎(chǔ)原理

關(guān)于激光基礎(chǔ)原理第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五理論基礎(chǔ)愛因斯坦（1917）在物質(zhì)與輻射場(chǎng)的相互作用下，構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子可以在光子的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激吸收或受激輻射。E1E0激光（Laser）LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation緒論第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五量子電子學(xué)（1954）開放式光諧振腔與光泵浦（1958）紅寶石固態(tài)激光器（1960）不同類型的激光器和激光控制技術(shù)（至今）因?qū)す饧捌鋺?yīng)用的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)而先后獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家共有10位.激光的產(chǎn)生與發(fā)展（LASER)緒論第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：方向性好單色性好亮度高相干性好(空間相干性、時(shí)間相干性）緒論第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、全息照相

2、全息激光防偽標(biāo)簽

3、多路合成角度全息展示藝術(shù)品

4、激光全息存儲(chǔ)緒論第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：在光通訊技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、光纖通訊（激光作為載波）

2、自由空間光通信（FSO）

“大氣窗”——850nm和1550nm

緒論第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、激光眼科手術(shù)

2、激光牙科手術(shù)緒論第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用激光切割、焊接及打標(biāo)等緒論第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：在照明和裝飾、娛樂領(lǐng)域(激光地標(biāo)、激光水幕等）

緒論第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五激光在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景：在科學(xué)研究領(lǐng)域激光“束縛”原子——冷卻和陷俘原子（1997，諾貝爾物理獎(jiǎng)，朱棣文）慣性約束聚變——人造小太陽緒論第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)展方向更大為了進(jìn)行高能物理、熱核聚變等方面的研究工作，激光器產(chǎn)生的能量密度和功率不斷提高?，F(xiàn)在世界上功率最大的激光器是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火工程（NIF）中使用的NOVA激光系統(tǒng)，其峰值功率達(dá)到1.3PW（1015W），該系統(tǒng)有望在今年投入使用。緒論第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五NIS已經(jīng)于2009年點(diǎn)火成功，2010年報(bào)道的單脈沖能量達(dá)到1MJ，峰值功率1015W以上。超過美國(guó)歷史上任意時(shí)刻消耗電功率的500倍以上。目前，神光-Ⅲ原型裝置“十五”建設(shè)目標(biāo)已圓滿完成，達(dá)到“8束出光，脈沖-萬焦耳”的水平，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美、法后世界上第三個(gè)系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體技術(shù)的國(guó)家，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)具備獨(dú)立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器能力的國(guó)家。

緒論第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五更小各種工業(yè)指示、標(biāo)記、探測(cè)用的半導(dǎo)體激光器或者半導(dǎo)體泵浦固體激光器向著小型化方向發(fā)展；第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五更集成各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等功能模塊。緒論第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五更快更高的調(diào)制頻率：GHz；更短的脈沖寬度：飛秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多樣化多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學(xué)能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導(dǎo)體、自由電子等；緒論第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五光子基本特性能量：動(dòng)量：質(zhì)量：光子沒有靜止質(zhì)量偏振態(tài)：光子有兩個(gè)可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于光波的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向；自旋：光子具有自旋，其自旋量子數(shù)為整數(shù)，光子屬于玻色子，服從玻色愛因斯坦分布，即處于同一量子態(tài)的全同粒子數(shù)目沒有限制。光子的相干性第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五任意電磁場(chǎng)可以看作是一系列單色平面電磁波的線性疊加，這些單色平面電磁波用波矢來標(biāo)識(shí)；也可以將任意電磁場(chǎng)視為一系列與單色平面電磁波等效的電磁波本征模式的線性疊加；本征模式的能量、動(dòng)量具有量子化特性，即能量為基本能量的整數(shù)倍，動(dòng)量為基本動(dòng)量的整數(shù)倍。具有基本能量和基本動(dòng)量的物質(zhì)單元稱為屬于第個(gè)本征模式的光子。光子的相干性第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五

光波模式與光子相格在有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立存在的、具有特定波矢的單色平面駐波，能夠穩(wěn)定存在于腔內(nèi)的駐波稱為光波模式?？紤]如圖所示的金屬空腔，任何能夠存在的駐波應(yīng)該滿足以下條件：其中m、n、l為正整數(shù)，由波矢的表達(dá)式可以得到波矢的三個(gè)分量：每組不同的m、n、l標(biāo)識(shí)了不同的模式，如果在由kx、ky、kz構(gòu)成的空間中表示不同的模式，其結(jié)果如右圖，每個(gè)不同的模式分別占據(jù)圖中的一個(gè)方格。可以求出在該空間中一個(gè)模式占據(jù)的體積為：光子的相干性第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五波矢在范圍內(nèi)的波矢空間體積為：則在該空間內(nèi)所包含的光波模式數(shù)為：由波矢的定義有：可以得到在體積為V的腔內(nèi)，頻率附近間隔內(nèi)的模式數(shù)P為：因此單位體積內(nèi)，頻率附近，單位頻率間隔的模式數(shù)為：光子的相干性第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五光子狀態(tài)與相格在輻射場(chǎng)中的光子可以用動(dòng)量、位置和偏振態(tài)來對(duì)其加以區(qū)別；宏觀上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用位置（x,y,z）和動(dòng)量（Px,Py,Pz）來完全確定，一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)相空間（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一個(gè)點(diǎn)；微觀上的粒子運(yùn)動(dòng)滿足測(cè)不準(zhǔn)原理：在相空間中，一個(gè)光子態(tài)不再對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)體積元，稱為相格，其在相空間中的體積為：光子的相干性第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五在波矢空間中一個(gè)光波模式占據(jù)的體積是：由于腔內(nèi)穩(wěn)定存在的光波模都是由兩列相向傳播的行波構(gòu)成的，因此每個(gè)模式的動(dòng)量可以寫成：將以上結(jié)果代入(1)式，可得到：即一個(gè)光波模在相空間中也占有一個(gè)相格，一個(gè)光波模等效于一個(gè)光子態(tài)。光子的相干性第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五相干性光源的相干體積考慮頻率寬度為的沿z方向傳播的準(zhǔn)單色平面波，由雙縫干涉理論可知光源的相干面積：光波的相干長(zhǎng)度為其波列長(zhǎng)度：則光源相干體積為：其物理意義為：如要求傳播方向限于之內(nèi)并具有頻率寬度的光波相干，則光源應(yīng)局限在空間體積Vc內(nèi)。光子的相干性第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五光子的相干性光子動(dòng)量在(x,y,z)方向的分量分別為：根據(jù)前述的光子態(tài)在相空間的體積為可得：上式表明相格的空間體積等于相干體積，如果光子屬于同一光子態(tài)，則它們應(yīng)該包含在相干體積之內(nèi)，即同一光子態(tài)的光子是相干的。光子的相干性第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五光子態(tài)與光波模式是電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的兩種等效提法，是兩種等效的物理概念；相格的空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積；屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，而不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。光子的相干性第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五黑體輻射與普朗克公式黑體：一個(gè)物體能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，則稱此物體為絕對(duì)黑體或黑體。自然界中不存在絕對(duì)黑體，而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。黑體輻射：當(dāng)黑體處于某一恒定溫度的熱平衡狀態(tài)，它吸收的電磁輻射和發(fā)射的電磁輻射完全相等，即處于能量平衡狀態(tài)，這將導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)。這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。激光產(chǎn)生的機(jī)理第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五普朗克公式：黑體輻射是黑體溫度T和輻射場(chǎng)頻率

的函數(shù)，并可以用單色能量密度

描述，表示單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量，其量綱為。為了解釋實(shí)驗(yàn)測(cè)得的分布規(guī)律，普朗克提出了量子化假設(shè)，并得到了普朗克公式：在溫度T的熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射平均地分配到腔內(nèi)處于頻率附近的所有模式上的平均能量為：激光產(chǎn)生的機(jī)理第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五而腔內(nèi)單位體積中，頻率處于附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁場(chǎng)模式數(shù)：所以可以得到黑體輻射的普朗克公式：其中K為波爾茲曼常數(shù)：激光產(chǎn)生的機(jī)理黑體輻射實(shí)質(zhì)上是輻射場(chǎng)和構(gòu)成黑體的物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五受激輻射與自發(fā)輻射自發(fā)輻射（Spontaneousemission）處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)的向較低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為的光子，這種過程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射特點(diǎn)：各個(gè)原子所發(fā)的光向空間各個(gè)方向傳播，是非相干光。假設(shè)系統(tǒng)中高能級(jí)原子數(shù)為n2，低能級(jí)原子數(shù)為n1，則單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)向低能級(jí)發(fā)生躍遷的原子數(shù)dn21為：其中A21

為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)，定義為單位時(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能級(jí)原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與n2的比值，其物理意義是每一個(gè)處于高能級(jí)的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。激光產(chǎn)生的機(jī)理第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五按照定義：從上式可以解出：自發(fā)輻射的平均壽命定義為原子數(shù)密度由起始值降至它的1/e的時(shí)間，則高能級(jí)原子數(shù)隨時(shí)間變化可表示為：通過比較可以得到：，即自發(fā)輻射系數(shù)為高能級(jí)原子平均壽命的倒數(shù)，是由原子本身的性質(zhì)決定的，不受外部輻射場(chǎng)的影響。激光產(chǎn)生的機(jī)理第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五受激吸收（StimulatedAbsorption）如果黑體原子和外加電磁場(chǎng)之間的相互作用只有自發(fā)輻射這一種，是無法維持腔內(nèi)的穩(wěn)定電磁場(chǎng)的，因此愛因斯坦預(yù)言，黑體原子必然存在著一種受外加電磁場(chǎng)激發(fā)而從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的過程。處于低能級(jí)E1的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用（激勵(lì)）下，受激地向E2能級(jí)躍遷并吸收一個(gè)能量為的光子，這一過程稱為受激吸收，用受激吸收躍遷幾率描述：受激躍遷與自發(fā)躍遷不同，其躍遷幾率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，而且與外加電磁場(chǎng)成正比，因此唯象的將其表示為：其中B12稱為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，它只與原子性質(zhì)相關(guān)。激光產(chǎn)生的機(jī)理第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五受激輻射（StimulatedEmission）與受激吸收躍遷類似，黑體原子同外加電磁場(chǎng)之間還存在另一種受激相互作用，一個(gè)處于高能級(jí)E2的原子在頻率為的電磁場(chǎng)作用下，受激地躍遷到E1能級(jí)，并放出一個(gè)能量為的光子，該過程被稱為受激輻射躍遷。可以用受激輻射躍遷幾率W21來描述受激輻射過程中高能級(jí)原子數(shù)變化的規(guī)律：受激輻射躍遷機(jī)率同樣與外加電磁場(chǎng)和原子特性相關(guān)：激光產(chǎn)生的機(jī)理第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五躍遷幾率之間的相互關(guān)系當(dāng)黑體處于確定的溫度T的熱平衡狀態(tài)時(shí)，具有以下三個(gè)特點(diǎn)：腔內(nèi)存在著由普朗克公式描述的熱平衡黑體輻射；腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按照能級(jí)的分布服從熱平衡狀態(tài)下的波爾茲曼分布：

g1、g2為能級(jí)E1、E2的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；腔內(nèi)處于E2（或E1）能級(jí)的原子數(shù)應(yīng)保持不變：激光產(chǎn)生的機(jī)理第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五由特點(diǎn)3得到：將普朗克公式和波爾茲曼分布帶入上式有：令，可以求出愛因斯坦系數(shù)之間的相互關(guān)系：特別的，當(dāng)g1=g2時(shí)，B12=B21激光產(chǎn)生的機(jī)理第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五受激輻射的相干性自發(fā)輻射和受激輻射的區(qū)別是什么？自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、偏振方向等特性上是無規(guī)則的，即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有的電磁場(chǎng)模式上；受激輻射則是受到外加電磁場(chǎng)激發(fā)而產(chǎn)生的過程，由量子電動(dòng)力學(xué)可以嚴(yán)格證明受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，即具有相同的頻率、相位、波矢和偏振等特性。按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電偶極子，自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個(gè)原子的自發(fā)躍遷互相之間沒有關(guān)聯(lián)；而受激輻射可以看作電子在外加光場(chǎng)作用下做受迫振動(dòng)，其振蕩頻率、相位、方向等與外加光場(chǎng)一致。大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射光子處于同一光子態(tài)，因而是相干的。激光產(chǎn)生的機(jī)理第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五光的受激輻射放大光放大的基本原理：利用受激輻射；由于在原子與外加光場(chǎng)相互作用時(shí)同時(shí)存在受激輻射和受激吸收兩種作用，想要實(shí)現(xiàn)光放大，必須要滿足關(guān)系：由愛因斯坦系數(shù)相互關(guān)系及波爾茲曼分布得到光放大的條件：“不可能”的前提是原子數(shù)按照能級(jí)的分布服從波爾茲曼分布，那么要實(shí)現(xiàn)光放大，必須使原子數(shù)按能級(jí)的分布打破波爾茲曼分布，即使得高能級(jí)原子數(shù)大于低能級(jí)原子數(shù)，使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者稱為負(fù)絕對(duì)溫度狀態(tài)。要滿足該條件，只有T<0，