激光原理與技術(shù)第一部分

激光原理與技術(shù)第一部分第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第一部分：緒論及激光的基本原理緒論

1.激光發(fā)展的歷史

2.激光技術(shù)的展望激光的基本原理

1.相干性的光子描述

2.光的受激輻射基本概念

3.光的受激輻射放大與自激振蕩

4.激光的特性第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論激光科學(xué)是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科。包括：物理、材料、電子、信息、化學(xué)等諸多方面。LASER--LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation愛因斯坦關(guān)于“光放大”的“受激輻射”原理———Light，光；Amplification，放大器；Stimulated，受激發(fā)的；Emission，輻射；Radiation，放射性物質(zhì)。

第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月激光發(fā)展的歷史1917，愛因斯坦提出“受激輻射可以實現(xiàn)光放大的概念”為激光器的發(fā)明奠定理論基礎(chǔ)。隨后科學(xué)家證明：受激輻射的光子與激勵光子具有相同的頻率、方向、相位、偏振。1954，美國---湯斯；蘇聯(lián)---巴索夫；蘇聯(lián)---普洛霍洛夫，創(chuàng)造性地繼承和發(fā)展了愛因斯坦的理論，提出用原子，分子的受激輻射來放大電磁波的新理論，并第一次實現(xiàn)了氨分子微波量子振蕩器（MASER)。----量子電子學(xué)的誕生第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月激光發(fā)展的歷史1958，湯斯(Towns)和肖洛(A.L.Schawlow)提出開放式光學(xué)諧振腔(利用的F-B干涉儀的思想）實現(xiàn)了光振蕩的新思路。布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)思。1960：美國休斯公司實驗室梅曼(T.H.Maiman)世界上第一臺紅寶石固態(tài)激光器誕生。第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月激光發(fā)展的歷史1997:朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔羅季（C.Tannoudi)利用激光冷卻和鉗制原子的研究。2000:赫伯特·克雷歇爾（H.Pressel），提出了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器室溫工作。第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月激光技術(shù)的展望學(xué)科的拓展：非線性作用及其各種非線性光子器件的應(yīng)用研究是主要的發(fā)展方向之一。技術(shù)的發(fā)展：新型光電器件的研究；光機(jī)電一體化的研發(fā)。應(yīng)用的發(fā)展：光纖通信；激光醫(yī)學(xué)；激光光譜學(xué)；工業(yè)激光的應(yīng)用；光纖傳感技術(shù)等。第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理本章重點討論光的相干性和光波模式的聯(lián)系、以及光的受激輻射以及光放大和振蕩的基本概念。1.相干性的光子描述2.光的受激輻射基本概念3.光的受激輻射放大與自激振蕩4.激光的特性第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月對激光器的初步認(rèn)識按激光工作物質(zhì)分類：

固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體（有機(jī)染料）激光器一般激光器的三個主要組成部分：

激光工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔、激勵能源第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.相干性的光子描述光具有波粒二象性：光的粒子屬性：能量、動量、質(zhì)量等光的波動屬性：頻率、波矢、偏振等（1）光子能量與光波頻率的關(guān)系（2）光子的運動質(zhì)量（3）光子的動量與單色平面波的波矢的關(guān)系第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）光子具有兩種可能的獨立偏振態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個獨立偏振方向。（5）光子具有自旋、并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。因此，量子電動力學(xué)從理論上把光的波動理論和光的光子（粒子）理論在電磁場的量子化描述的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來，從而在理論上闡明了光的波粒二象性。第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月從經(jīng)典波動光學(xué)的角度出發(fā)：單色平面波的描述方程：在自由空間，具有任意波矢的單色波都可以存在，但是當(dāng)光被約束在有限空間,其本征模式不同于平面單色波,在一個有界的空間V內(nèi)，只有一系列特定的平面單色駐波存在。第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月在空腔為的立方體內(nèi)，滿足駐波條件：相鄰模的間隔為：則每個模式在空間占有的體積元為：在波矢空間的單位體積：處在頻率v附近頻率dv內(nèi)的模式數(shù)為：第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月從粒子的角度出發(fā)：測不準(zhǔn)關(guān)系：相格：一個光子態(tài)對應(yīng)的相空間的體積元，稱為相格。是相空間中用任何實驗所能分辨的最小尺度。一個相格所對應(yīng)的空間體積：從波動與粒子理論的關(guān)系：代入：得第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.相干性的光子描述光子的相干性：分為空間相干性和時間相干性

相干體積：在空間體積Vc內(nèi)各點的光波場都具有明顯的相干性，稱Vc為相干體積。相干時間：第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡并度。

光子簡并度具有以下幾個相同的含義：同態(tài)光子數(shù)=同一模式內(nèi)的光子數(shù)=處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)=處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)

相干光強(qiáng)是描述光的相干性的重要參數(shù)之一。相干光強(qiáng)決定于光子簡并度的多少。第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光的受激輻射基本概念

黑體輻射的普朗克公式：黑體輻射：黑體吸收的能量與輻射場的能量之間處于能量的平衡狀態(tài)的輻射場稱為黑體輻射。黑體輻射是黑體溫度T和輻射場頻率v的函數(shù)，并用單色能量密度來描述。定義為：在單位體積內(nèi)，頻率處于v附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量。第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光的受激輻射基本概念

黑體輻射的普朗克公式：第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光的受激輻射基本概念

一、光和物質(zhì)相互作用的三種過程(SpontaneousEmission)隨機(jī),獨立進(jìn)行,無關(guān)聯(lián);相位,偏振,方向隨機(jī);能量分布在許許多多模式受外來光刺激=E2-E1/h

受外來光刺激,產(chǎn)生與入射光子屬同一狀態(tài)的光子,受激吸收的逆過程自發(fā)輻射(SP)

E1E2hn受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激輻射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月－單色能量密度(J·m-3·s)受激吸收幾率W12受激輻射幾率W21自發(fā)輻射幾率A21第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月二、愛因斯坦關(guān)系式－A21、B21和B12的關(guān)系愛因斯坦關(guān)系熱平衡黑體輻射公式玻爾茲曼分布模密度n黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式的平均能量f1=f2第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：1、上述三種過程同時存在只是強(qiáng)弱存在差別。2、在熱平衡狀態(tài)下兩種輻射的比較（自發(fā)輻射和受激輻射）：自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢。3、在熱平衡狀態(tài)下兩種受激躍遷的比較（受激吸收和受激輻射）：受激吸收占主導(dǎo)優(yōu)勢。4、自發(fā)輻射的光子可作為受激吸收和受激輻射的誘導(dǎo)光子5、自發(fā)輻射的光子相位無規(guī)則分布因而不具有相干性；受激輻射的光子與入射光子具有相同光子態(tài)。第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月3.光的受激輻射放大與自激振蕩光的自發(fā)輻射~~非相干光~~光子簡并度很低光的受激輻射~~相干光~~~~光子簡并度很高黑體輻射的光子簡并度：

映射出激光器的設(shè)計思想：希望受激輻射所產(chǎn)生的相干光子大大的增加=〉1.光波模式的選擇；2.光的受激放大輻射。第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)激光器基本思想要使

特定模式的增加,其它模式數(shù)減少，使相干的STE光子集中在一個或少數(shù)幾個模內(nèi)。技術(shù)思想的重大突破：封閉腔開放式光諧振腔

開放式光諧振腔使特定（軸向）模式的增加,其它模式(非軸向)逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡并度。

光諧振腔有選模作用，是構(gòu)成激光器的主要部分。

軸向模F-P光諧振腔第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實現(xiàn)光放大的條件—粒子數(shù)反轉(zhuǎn)En常溫下，Bolzman分布反轉(zhuǎn)分布（populationinversion）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射占主導(dǎo)光放大實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱為增益(或激活)介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的前提條件如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？只有依靠外界向物質(zhì)提供能量(泵浦或稱激勵)才能打破熱平衡，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月二、增益系數(shù)（GainCoefficient）與增益曲線

增益系數(shù)－單位長度介質(zhì)中光強(qiáng)增大的百分比Dn(z)0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層凈STE光子數(shù)密度第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

若介質(zhì)中Dn分布均勻,g(z)常數(shù)g0－小信號增益系數(shù)

光放大光被吸收透明*

隨著介質(zhì)內(nèi)光強(qiáng)不斷增大，增益系數(shù)是否能保持常數(shù)請考慮每一變化的物理原因？受激輻射使消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增多（注意前提條件）

反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和

增益飽和第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月增益飽和g(I)（GainSaturation)問題:何時會出現(xiàn)增益飽和？飽和光強(qiáng)

Is:其值由增益介質(zhì)本身性質(zhì)決定（4.5節(jié)討論）

光強(qiáng)增大到一定程度,g將隨I的增大而減小小信號增益系數(shù)，常數(shù)，與I無關(guān)大信號增益系數(shù)，g(I)<g0增益飽和（飽和增益系數(shù)）第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月增益曲線g(n)－增益系數(shù)g(n)相對于頻率的分布問題的提出：引起STE的外來光(自發(fā)輻射）不是單一頻率，有一定的頻率分布,(第四章詳細(xì)討論)

ng(n)n0增益寬度

Dn:

第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月g&a

并存的介質(zhì)中，光強(qiáng)的變化解微分方程并有dz薄層三、自激振蕩器

（1）自激振蕩概念

(電路)自激振蕩器必須具備的基本條件：同相；振幅平衡激光器激光自激振蕩器如何實現(xiàn)光的正反饋和穩(wěn)定的振幅（光強(qiáng)）？光諧振腔介質(zhì)的增益和增益的飽和第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月I0Imgg0zzI0只要增益介質(zhì)足夠長，無論初始光強(qiáng)I0如何，通過增益飽和，總可以達(dá)到確定的極值光強(qiáng)Im

即自激振蕩概念設(shè)增益介質(zhì)無限長，且增益與損耗并存

激光器是否振蕩與初始光強(qiáng)無關(guān)初始光強(qiáng)來自于自發(fā)輻射介質(zhì)增益和增益飽和的平衡決定了激光工作物質(zhì)的最后輸出功率第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）如何使有限長增益介質(zhì)成為“無限長”光放大器

（3）自激振蕩條件－閾值條件(Thresholdcondition)r1r2腔內(nèi)充滿折射率為h，長度為L的介質(zhì)g,aI0I1沿著腔軸的光在腔內(nèi)多次往返無限長放大器自激振蕩器

諧振腔作用:光學(xué)正反饋模式選擇,控制

r1r2激活介質(zhì)激勵能源光源氣體放電電注入化學(xué)第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月d－單程損耗，即單程渡越時腔內(nèi)平均光強(qiáng)衰減的比值閾值條件或=d

閾值(自激振蕩)條件是激光產(chǎn)生的必要條件，唯一地由激光器的損耗決定。損耗是評價激光器的重要指標(biāo)激光器中各種損耗r1r2

透射損耗;衍射損耗;幾何偏折損耗;吸收、散射損耗等第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月閾值特性第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.激光的特性

激光的相干性分為：一、空間相干性；