激光原理及应用

1激光与应用 方向性好：激光准直仪、激光手术刀 亮度大：红宝石激光器 相干性好：全息技术（全息储存、全系测量、全息电影、摄影） 能量密度高：激光打孔、激光焊接、激光切割 单色性好：氪灯，临床选择性治疗光谱技术 【 为主要特点】 2爱因斯坦模型 一定种类的光子能量与一定的光的频率相对应 = h 一定种类的光子质量 （考虑相对论 ） 一定种类的光子具有动量 P，与一定的光的频率和传播方向相联系 一定种类的光子具有一定得偏振态 光子具有自旋，故光子是“玻色”子，即处于相同状态的光子数目是无限制的 3光与物质的相互作用 （1）自发辐射：在无外电磁场作用时， 粒子自发地从 E2 跃迁到 E1，发射光子 h 受激辐射：原处于高能级 E2 的粒子，受到能亮洽为 h=E 2 E 1 的光子的激励，发出与入 射光子相同的一个光子而跃迁到低能级 E1 受激吸收：原处于低能级 E1 的粒子，受到能量洽为 h=E 2 E1 的光子照射而吸收该光子的 能量，跃迁到高能级 E2 （2）受激辐射是产生激光的最重要机理 （3）三种作用是否同时存在？请说明理由 这三种过程是同时发生的，若某原子自发辐射产生的光子，对于其他原子来讲是外来 光子，会引起受激辐射和受激吸收，故三者同时发生，紧密联系 4推导光与物质相互作用之间的关系 （1）画图 【图见第三点】 （2）假定：设想要把研究的原子系统充入绝对温度为 T 的空腔内，使光和物质的相互作 用达到热平衡（空腔黑体内辐射场 与物质原子相互作用的结果应该维持黑体处于温度 为 T 的热平衡腔内） （3）关系依赖于哪几种过程： 玻尔兹曼分布规律： 腔内存在： 表示的热平衡黑体辐射 热平衡状态下，单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光子数目=单位时间内粒子体系 向辐射场发射的光子数目 （4）三种过程相互联立： T ， g1B12=g2B21 则 五解释谱线加宽的机理 （1）实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内，每一条谱线都有一定的宽度， 0 只是谱线的中心频率，这种现象称为谱线加宽。 （由于能级有一定的宽度，故当原 子在能级自发发射时，它的频率也有一个范围 n） f（）：单位频率间隔的相对光强分布 n=丨 21丨为光谱线半值宽度（谱线宽度/线宽） （2）自然增宽：（量子解释）tE=h/2，n 为辐射的自然宽度（自发辐射） ，可知： 寿命越长，能级密度 E 越小，在基态 （即 t ），E0， （ 相当于源自平均 寿命） 大小由能级宽度决定 结论：自然加宽谱线具有洛仑兹线型谱，线宽度完全由原子在能级的自发辐射寿命决定， 自发辐射 受激辐射 受激吸收 进一步说明了加宽是由原子具有有限的激发态寿命引起的。 碰撞增宽：由气体粒子间或气体粒子与容器间的碰撞或固体粒子间的偶极相互作用而 引起的谱线增宽 对于气体而言，大量原子做无规则热运动时将不断发生碰撞（或原子 与容器壁碰撞）这种碰撞会使源自发生中断或光波位相发生突变，其效果均可看为使发光 波列缩 短） 多普勒增宽：大量同类原子发光时，气体原子的热运动是无规则的，原子的运动速度各 不相同，所以不同速度的原子所发出的光被接收时的（表现）频率也不相同，因而引起谱 线频率增宽 6小信号工作状态（特点） n对应着激光谐振腔未发出激光时的状态，通常把这个状态叫做小信号工作状态。 n=R 2 2（R 1+R2） 1 （小信号工作时粒子数密度在能级间的反转分布值、能级寿命、 抽运算律关系）满足要求：E 2能级的寿命要长，使该能级上的粒子不能轻易通过非受激 辐射而离开 E 1能级的寿命要断，使 E1能级上的粒子能很快衰减 选择合适的激励能源， 使它对介质的 E2能级的抽运速率 R2越大越好，对 E1能级的抽运速率 R1越小越好 7组成激光器的三个基本要素及作用，三者之间的关系 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能 级结构 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐 射光频率以提高单色性 8粒子数的反转分布 （1）实现这种分布是否一定有激光产生？ 激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间粒子数密度反转分布，即 n0（或说 增益系数 G0） ，所以实现这种分布一定有激光产生 （2）什么是激光器的损耗及其分类及其产生的原因 激光器的损耗是指在激光谐振腔内的光损耗，分为： 内部损耗（与增益介质的长度有关）：在增益介质内部由于成分布均匀、粒子数密度不 均匀或者有缺陷，光波通过这样的介质就会发生折射、散射，使部分光波偏离原来的传播 方向，造成光能量的损耗 镜面损耗：当强度为 I 的光波射到镜面上，其中 r1I（或 r2I）反射回腔内继续放大，其 它部分均为损耗，包括 t1I（或 t2I） ，镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到 反射镜范围以外造成的损耗 a1I 或 a2I （3）阈值（产生）： 随着腔内光强的增大，增益系数将不断下降，当增益系数下降至下限值时，腔内光强就达 到最大值 IM（Im 为平均值） ，增益系数的下限值成为增益系数的阈值 非均匀增宽介质 9速率方程理 论 （dn 2/dt）列 n 个方 程，n-1 个独立 方程 1）证明双能级 系统不能产生激光 2）什么情况能产生双能级系统？ 1）能级 图 n2 n1 dn2/dt = W12n1 W12：受激吸收几率（激励几率） dn2/dt = W21（-n 2） W21：受激发射几率 dn2/dt=A21n2 A21：自发发射几率 2）速率方程：双能级系统只有 1 个独立速率方程 某一过程的几率与该过程始态能级上的粒子之和等于该过程导致的粒子数变化率 E2 上粒子数密度变化率：dn 2/dt=W12n1-W21n2-A21n2- 21n2 设 g1=g2，则 W12=W21=W dn2/dt=W(n1-n2）-A 21n2- 21n2 3）稳态解：稳态 dn2/dt=0 对于二能级系统，一般总有 n2A21+ 21,n2n 1 4）结论：在光频区，双能级系统不可能实现粒子数反转 10均匀加宽、非均匀加宽 1）从微观机制解释两者本质区别 均匀加宽：自然增宽和碰撞增宽中每一发光原子所发出的光，对谱线宽度内任一频率都有 贡 献，而这个贡献，对每个原子都是相同的，这种增宽叫做均匀增宽 非均匀增宽：不同速度的原子作用是不同的，这种增宽叫做非均匀增宽 区别：1）从谱线加宽角度看：对均匀加宽没个粒子的自发辐射具有完全相同的线型函数、 线宽、中心频率，对非均匀加宽，介质中的发光粒子可以分类，可探测到不同的中心频率 2）对均匀加宽，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，对非均匀加宽，某个粒子 的线型和线宽不等于整个介质的谱线加宽和线宽 3）对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特性频率与介质中某类离子建立联系 和对应关系，对非均匀加宽，某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，对其 他频率无关 4）当某一频率的准单色光与介质相互作用，对均匀加宽，入射光场与所有的粒子发 生完全相同的共振和相互作用，所有粒子具有相同的受激跃迁几率，对非均匀加宽，只有 表现中心频率与入射光场频率相应的某类粒子凡是相互作用，不同粒子极化情况不同 11谐振腔的稳定条件 1）条 件曲率半径 R1，R 2 腔长即与光轴相交的反射镜面上两点距 离 L g1 = 1-L/R1 g2 = 1-L/R2 1.稳定腔 ：01 3.临界腔：g 1g2=0或 g1g2=1 稳定腔：1）双凹稳定腔：由两个凹面镜组成 2）平凹稳定腔：一个平面镜一个凹面镜 3）凹凸稳定腔：一个凹面镜一个凸面镜 4）共焦腔： R1=R2=L g1=g2=0 5）共半焦腔：一个平面镜和一个 R=2L 的凹面镜 稳定图的应用 1）制作一个腔长为 L 的对称稳定腔，反射镜曲率半径的取值范围如何确定？ L/2R 最大曲率半径可取值 R1=R2，平行平面腔； R1=R2=L/2 共心腔 2）给定稳定腔的一块反射镜，要选另外一块反射镜的曲率半径，范围如何确定 1.根据已有反射镜 R1，求得 g，找点 A（g 1，0） 2.过点（g 1，0）作平行 g2的线，与双曲线相交点 B，AB 即为 g2范围 3）如果有两块反射镜，曲率半径 R1，R 2，欲使组成稳定腔，腔长范围 令 k=R2/R1 g2=1-L/R2=1-L/(kR1)=1/k（k-1+g 1）=1/k 1g1+（k-1）/k 斜率为1/k，截距（k-1）/k，画图，确定线段得 g2值范围 12光在介质中传播的一般规律 1）入射光强 I（0） ，出射光强 I（z） I（z） =I（0）exp(n 2-(g2/g1)n1)B21f()h (/c)z 2）关系的产生 （频率为 的单色光） 光在介质中传播时，介质中低能级上的粒子会吸收光子而跃迁至高能级，使介质中传播的 光子数密度减少，在 dt 时间内由于介质吸收而减少的光子数密度值为 dN2= -n1B12(z)f()dt (“-”表示光子数密度减少) 同理：介质的受激辐射使光子数密度增加，高能级上因受激辐射而减少的粒子数密度是多 少，光子数密度就增加多少，在 dt 时间内由于受激辐射增加的光子数密度值 dN2= n2B21(z)f( )dt n1，n 2介质中处于低能级 E1和高能级 E2上的粒子数密度 (z)= ( /c) I(z) d=dz/ =(/c)dz dN = dN1+dN2 = (B21n2-B12n1)(z)f()dt (g1B12=g2B11) dN = (n2-(g2/g1)n1)B12f()（/c）dz d= h dN d/ = (hdN)/ = (n 2-(g2/g1)n1)B21f()(/c)dz (z) = (0)exp(n2-(g2/g1)n1)B21f()h( /c)z I(z) = I(0)exp(n2-(g2/g1)n1)B21f()h(/c)z 13谐振腔放大过程 1.由于自发辐射，在 z=0处有一束强度为 I1的入射光沿腔