清华大学物理课件：激光.ppt

第七章 激 光（1 ） 1 普通光源-自发辐射 激光光源-受激辐射 前言 激光又名镭射 (laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。 (light amplification by stimulated emission of radiation) 第 七 章 激 光 2 一. 特点： 方向性极好（发散角10 -4弧度） 脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦） 空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。 时间相干性好（10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。 相干性极好 亮度极高 3 按工作方式分 连续式（功率可达104 w） 脉冲式（瞬时功率可达1014 w ） 三 . 波长：极紫外可见光亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ） 二 . 种类： 固体（如红宝石al2o3） 液体（如某些染料） 气体（如he-ne，co2） 半导体（如砷化镓 gaas） 按工作物质分 4 7.1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布： 5 若 e2 e 1，则两能级上的原子数目之比 数量级估计： t 103 k； kt1.3810-20 j 0.086 ev; e 2-e 11ev; 6 但要产生激光必须使原子激发;且 n2 n1, 称粒子数反转(population inversion)。 原子激发的几种基本方式： 1气体放电激发 2原子间碰撞激发 3光激发(光泵) 演示 7 7.2 自发辐射 受激辐射和吸收 一. 自发辐射(spontaneous radiation) 设 n1 、n2 单位体积中处于e1 、e2 能级的原子数。 单位体积中单位时间内， 从e2 e1自发辐射 的原子数： e2 e1 n2 n1 h 8 写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光 。 9 二受激辐射 (stimulated radiation) e2 e1 n2 n1 全同光子 h 设 （、）温度为时, 频率为 = (e2 - e1) / h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。 10 单位体积中单位时间内，从e e 受激辐射的原子数： 写成等式 b21受激辐射系数 11 w21 单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。 则 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 -有光的放大作用。 令 w21 = b21 （、t） 12 三 . 吸收(absorption) e2 e1 n2 n1 h 上述外耒光也有可能被吸收， 使原子从 e1e2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 e1e2 的原子数： 13 写成等式 b12 吸收系数 令 w12=12 ( 、t) w12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。 14 a21 、b21 、b12 称为爱因斯坦系数。 爱因斯坦在 1917年从理论上得出 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上 获得激光奠定了理论基础。 没有实验家,理论家就会迷失方向。 没有理论家,实验家就会迟疑不决。 b21 = b12 15 六十年代初对发明激光有贡献的三位科学家。 1964年获诺贝尔物理奖。 巴索夫普罗恰洛夫汤斯 16 7.3 粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion) 从e2 e1 自发辐射的光，可能会引起 受激辐射过程，也可能会引起吸收过程。 17 必须 n2 n1（ 粒子数反转）。 因 b21=b12 w21=w12 要产生激光，就必须 18 二粒子数反转举例 例. he一ne 气体激光器的粒子数反转 he -ne 激光器中he是辅助物质， ne是工作（激活）物质； he与 ne之比为51 101。 19 亚稳态 电子碰撞 碰撞转移 亚稳态 20 he-ne激光管的工作原理： 由于电子的碰撞,he被激 发(到23s和21s能级)的概 率比 ne 原子被激发的概 率大； 在 he 的23s，21s这两个 能级都是亚稳态，很难回 到基态； 在 he 的这两个激发态上 集聚了较多的原子。 由于 ne的 5s 和 4s态与 he的 21s和 23s态的能量 几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的 “共振转移”； 21 （要产生激光，除了增加 上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的 粒子数） 正好 ne 的5s，4s是亚 稳态，下能级 4p，3p 的寿命比上能级5s，4s要短得多， 这样就可以形成粒子数的反转。 在碰撞中 he 把能量传 递给 ne而回到基态， 而 ne 则被激发到 5s 或 4s; 放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁 。 借助这种碰撞，3 s态的 ne 原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁”而回到基态，这样可以及时减少3s态的ne 原 子数，有利于激光下能级4p与3p态的抽空。 22 ne 原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条: 06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。 23 7.4 增益系数 激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着 增益光的放大； 损耗光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。 激光形成阶段：增益 损耗 激光稳定阶段：增益 损耗 增益 损耗 24 一激光在工作物质内传播时的净增益 设0处，光强为i0 i +dx i + d i 有 d i idx 写成等式 d i = g i dx 定义：增益系数 g (gain coefficient) 25 即单位长度上光强增加的比例。 一般g不是常数。 为简单起见，先近似地认为g是常数。 26 二 . 考虑激光在两端反射镜处的损耗 i0 激光从左反射镜出发时的光强。 i1 经过工作物质后，被右反射镜反射 出发时的光强。 i0 输出 全反射镜 部分反射镜 i1 l i2 再经过工作物质，并被左反射镜反射 出发时的光强。 i2 r1、r2 左、右两端反射镜的反射率. 27 显然有 i 1 = r 2 i 0 egl i 2 = r 1 i 1 egl = r 1 r 2 i 0 e2gl i 2 = r 1 i 1 egl 所以 i0 输出 全反射镜 部分反射镜 i1 l i2 得 28 在激光形成阶段 即 r1 r2 e2gl 1 或 须 i2 / i0 1 式中 gm称为阈值增益， 即产生激光的最小增益。 29 在激光稳定阶段 即 光强增大到一定程度后 须 i2 / i0 = 1 在激光的形成阶段 g gm , 光放大， 怎麽光强不会无限放大下去？ 在激光的稳定阶段 怎么又会g = gm ? 30 原因是实际的增益系数 g 不是常量,当 i 时，会 g。 这是由于光强增大伴随着 粒子数反转程度的减弱。 （负反馈） 当光强增大到一定程度，g下降到m时， 增益=损耗，激光就达到稳定了。 通常称 -为阈值条件( threshold condition) 31 第七章 激 光（2 ） （编者：华基美） 32 7.5 光学谐振腔 纵膜与横模 (optical harmonic oscillator) (longitudinal mode and transverse mode) 激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。 激励能源 全反射镜部分反射镜 激光 7.6 激光器的纵膜与横模 33 光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。 阈值条件为 对于可能有多种跃迁的情况， 可以利用阈值条件来选出一种跃迁。 选频之一： 34 我们可以控制 1、2的大小： 对 0.6328 m 1、r2大 gm 小(易满足阈值条件，使形成激光) ； 对 1.15 m 、3.39 m 1、2小 gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。 例如，氦氖激光器 ne 原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激辐射 光中, 只让波长0.6328 m的光输出。 35 设氦氖激光器ne原子的 06328 m受激辐射光 的谱线宽度为, 如图所示。 0 1.3109 hz 对于单一的跃迁，还可以利用 选择纵模间隔的方法，进一步 在谱线宽度内再选频。 选频之二： 36 0 0 由于 为什么激光的谱线宽度会 小到 10-8？ 取绝对值 37 由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节， 所以有光程 ( k=1、2、3、) k真空中的波长 l k=1 k=2 k=3 n 谐振腔内媒质的折射率 38 可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为 数量级估计： 1； n1.0； c108 ms 39 而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为 =13109 hz 因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为 40 利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使 区间中只存在一个纵模频率。 比如缩短管长到 10 c， 即 l/10 则 k10 k 在 区间中，可能存在的纵模个数为 =1。 41 于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出， 极大地提高了0.6328 m 谱线的单色性。 激光除了有纵向驻波模式外， 还有横向驻波模式。 基模高阶横模 轴对称分布 旋转对称分布 42 小结：产生激光的必要条件 1. 激励能源（使原子激发） 2. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级） 3. 光学谐振腔（方向性，光放大，单色性） 基横模在激光光束的横截面上各点的 位相相同，空间相干性最好。 43 说明1 . 激光符合形成一个耗散结构 必须具有的五个条件: 1.开放系统 2.远离平衡态 3.涨落突变 4.正反馈 5.非线性抑制因素 44 说明2. 布鲁斯特窗起什么作用？ 在光垂直入射时， 约有4%能量反射， 只有96%透射， 假如不是斜的布鲁 斯特窗，而是垂直 的窗，在反射镜之 间多次来回反射， 损失太大，（0.96）10=0.665，（0.96）50=0.130， （0.96）100= 0.019 , 根本形不成激光。 用布鲁斯特窗可以把接近50%的光（道）保留下来。 而且出来的激光是偏振的（道） 。45 7.7 激光的特性及其应用 方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。 相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。 例激光光纤 由于光波的频率比电波的 频率高好几个数量级。 一根极细的激光光纤能 承载的信息量相当于图 片中这麽粗的电缆所能 承载的信息量。 通讯 46 粘视网膜皮肤处理 例2 . 激光手术 47 诊断 观察 （普通光纤） 48 49 照明束(普通光纤) 照亮视场 纤维镜（普通光纤） 成象 有源纤维（强激光） 使堵塞物熔化 臂动脉 主动脉 冠状动脉 内窥镜 附属通道 有源纤维 套环 纤维镜 照明束 附属通道 （可注入气或液） 排除残物以明视线 套环 （可充、放气） 阻止血流或使血流流通 心脏手术（不需开胸，不住院） 50 例3激光 原子力显微镜(afm) 用一根钨探针或硅 探针在距试样表面 几毫微米的高度上 扫描,来探测固体 表面的情况。 试样通常是 微电子器件。 激光-原子力显微镜 （afm） 激光器 分束器 布喇格室 棱镜 检测器 反馈机构 接计算机 微芯片 压电换能器 压电控制装置 探针尖端在工作时处于 受迫振动状态，其频率 接近于探针的共振频率。 51 探针尖端在受样品 原子的范得瓦尔斯吸 引力的作用时，其共 振频率发生变化，因 而振幅也随之改变。 为了跟踪尖端的振 幅情况，将一束激光 分成两束。 激光-原子力显微镜 （afm） 激光器 分束器 布喇格室 棱镜 检测器 反馈机构 接计算机 微芯片 压电换能器 压电控制装置 这两束光重新会合 后发生干涉。 其中一束通过棱镜反 射，另一束则穿过布 喇格室，然后从探针 背面反射回来。 52 可检测出尺度小至 5毫 微米的表面起伏变化。 用于检查微电路成品， 检查制作微电路用的 硅表面的质量