光电测试技术激光原理和技术

1,激光原理和技术简介,黎明前的黑暗 1900年，Planck提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖； 1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；,“in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta“,“for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect“,激光发展史,1913年，玻尔(Bohr)借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖； 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； 1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在；,“for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them“,绪论之激光发展史,1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。,“for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum“,“for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms“,绪论之激光发展史,1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。 1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。,“for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle“,绪论之激光发展史,突破 1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文“Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。,绪论之激光发展史,1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器； 1960年12月，Bell实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器； 1962年，GaAs半导体激光器； 1963年，液体激光器； 1964年，CO2激光器； 1964年，离子激光器； 1964年，Nd：YAG固体激光器； 1965年，HCl化学激光器； 1966年，生物染料激光器； 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？,绪论之激光发展史,发展 更大 为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。 现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W），该系统有望在今年投入使用。,绪论之激光发展现状,更小 各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；,绪论之激光发展现状,更集成 各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。,绪论之激光发展现状,更快 更高的调制频率：GHz； 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)； 更多样化 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦； 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；,绪论之激光发展现状,经典理论（Classical Laser Theory） 电磁场麦克斯韦方程组；原子电偶极振子 半经典理论（Semiclassical Laser Theory） 电磁场麦克斯韦方程组；原子量子力学描述 量子理论（Quantum Laser Theory） 电磁场和原子二者作为一个统一的物理体系作量子化处理 速率方程理论（Rate Equation Theory） 量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性,绪论之激光理论体系,激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性； 不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论； 本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。,绪论之激光发展现状,14,1.光子的基本特性,爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说，提出了光量子理论： 光是一种以光速c运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：,激光原理和技术简介,15,(4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应 于光波场的两个独立偏振方向；,(5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（电子的自旋量子数 ，是费米子。）,16,2.光子的相干性和光子简并度,17,(1) 自发辐射,光子能量：,自发跃迁概率：,单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为：,处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的 无关） 。,二、 光辐射的量子理论基础,1、三种跃迁,18,受激吸收概率：,为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。,为辐射场能量密度,为E1能级上的原子数密度,（2） 受激吸收,处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。,于是有：,为 自发辐射寿命。,19,(3) 受激辐射,受激辐射的概率：,称为爱因斯坦受激发射系数。,处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。,受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。,20,2、爱因斯坦关系,设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 （同一量子态占据的光子数目）, 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为：,单位时间内，,的原子数为：,由于系统处于热平衡状态，则应有：,即：,21,所以有：,热平衡状态下， 按波尔兹曼分布：,即：,22,热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：,比较两式有：,上述两式即著名的爱因斯坦关系式。,若两能级的简并度相同，则有：,23,结论： 三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言，自发跃迁系数 A21 与受激辐射系数 B21 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大， 就越高，A，B的比值就越大，也就是 越高，自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。,1.4.2激光（强相干光）产生的基本原理和方法,由受激辐射和自发辐射相干性的讨论可知，相干辐射的光子简并度很大。我们分析下黑体辐射源的光子简并度。根据式（1-48） （1-57） 在室温T=300K的情况下，按照式（1-57）：对于=30cm的微波辐射，；对于 =60m的软红外辐射，1；对于 =0.6m的可见光辐射。可见，普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。,我们进一步分析（1-57）。应用黑体辐射的普朗克公式和爱因斯坦系数的基本关系式（1-57）可改写为 （1-58） 由式（1-58）可以看出，使相干的受激辐射光子集中在某一（或几个）特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采取各种技术措施减少腔内激光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产生强相干光的目的。下面对其进行讨论。,1.光学谐振腔及其选模作用,如果端面腔壁对光的反射系数很高，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光在腔内多次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光很容易逸出腔外。这相当于腔内能够存在的光场模式只有少数几个，达到了光波模式的选择作用。这实际上就是光学中熟知的法布里-珀罗干涉仪，在激光原理中称为光学谐振腔。,2.光放大物质的增益系数与增益曲线,下面讨论在有大量原子（或分子）组成的物质中实现受激辐射放大条件。 由式（1-51）可知，因 ，所以 ，即在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数，当频率 的光通过物质时，受激吸收光子数 恒大于受激辐射光子数 。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。,在一定条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是 ，称为粒子数反转。光放大作用通常用（增益）系数G来描述。设在光传播方向上z处的光强为I（z），则增益系数定义为 (1-59) 显然，dI(z)正比于单位体积内激活物质的净受激辐射光子数 (1-60) 假设 ，则 (1-61),所以 (1-62) 如果（ ）不随z变化，则增益系数 为一常数，式（1-59）为线性微分方程。积分式（1-59），得 (1-63) 式中， 为z=0处的初始光强。这就是线性增益或小信号增益情况，如图1-8所示。 与此相应，可将单位体积内粒子反转数差值表示为光强的函数，即 (1-64),式中， 为由激活物质的性质决定的饱和光强， 为光强为零时单位体积内的初始粒子反转数差值。应用式（1-64），我们可将（1-62）改写为 （1-65） 或 （1-66） 式中 =G（I=0）为小信号增益系数。如果在光放大器中光强始终满足条件I ，则增益系数G（I）= 为常数，且不随z变化，这就是式（1-63）表示的小信号情况。在条件I 不满足时，式（1-66）表示的G(I)称为大（饱和）信号增益系数。,增益系数也是光波频率的函数，一般应表示为 .这是由于能级 和 各种原因总有一定的宽度，所以在中心频率 附近一个小范围内受激跃迁发生。对于均匀加宽物质，当频率为 ，光强为 的准单色光入射时，其小信号增益系数和饱和增益系数分别为 （1-67） （1-68）,式中， 为中心频率处的小信号的增益系数； 为增益曲线的宽度。对于非均匀加宽物质，当频率为 ，光强为 的准单色光入射时，其小信号增益系数和饱和增益系数分别为 （1-69） （1-70） 式中， 为中心频率处的小信号的增益系数； 为增益曲线的宽度。两种加宽机制的增益系数曲线型分别如图1-9（a）、（b）所示。,4.光的自激振荡,通常所说的激光器都指光自激振荡器。在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，我们可以引入光损耗系数 来描述。 定义为光通过单位距离后光强衰减的百分数，即 （1-71） 同时考虑增益和损耗，则有 （1-72） 假设有极其微弱的光（光强 ）进入一无限长的放大器。开始光强I（z）将按小信号放大规律 增长，但随光强的增加，G(I)将由于饱和效应而按式（1-66）减小，因而光强的增长将逐渐变缓。,当G(I)= 时，光强不再增加并达到一稳定的极值 （见图1-10）。根据条件G(I)= ，可求得 为 （1-73） 可见， 只与放大器本身的参数有关，而与初始光强 无关 一个激光器能产生自激振荡模的条件，即任意小的初始光强 都能形成确定大小的腔内光强 的条件，可由式（1-73）求得 即 （1-74）,这就是激光器的振荡条件。式中， 为小信号增益系数；为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。 当时 ，称为阈值振荡情况，这是腔内光强维持在初始光强 的极其微弱水平上。当 时，腔内光强就 增加，并且 正比于 。可见增益和损耗是激光器是否振荡的决定因素。 振荡条件式（1-74）也可以表示为另一种形式。设工作物质长度为 ，光腔长度为L，令 为光腔的单程损耗，振荡条件可改写为： 式中， 称为单程小信号增益。,36,激光的产生,1、普通光源的发光受激吸收和自发辐射 常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 h=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。,37,2、激光,激光英文单词为：Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。,38,3、受激辐射和光的放大,受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1 跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大。这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。,39,必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式 充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）,4、激光产生的条件,40,5、粒子数反转,一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。 由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。 但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。,41,6、工作物质、亚稳态,前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。,42,7、形成粒子数反转的结构-原子能级系统,二能级系统,考虑一个二能级（ ）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为：,由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有：,单位体积因吸收减少：,单位体积因发射增加：,能量总的变化为：,43,由爱因斯坦关系得：,由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类： （1）粒子数正常分布，满足：,当物质处于热平衡时有：,44,由于,于是粒子数分布总有,工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即粒子数正常分布。,正常分布,45,（2）粒子数反转，满足：,光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。,46,二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。,如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为 dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2, 当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。,47,激光物质是三能级或四能级结构,如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使WW23或WW12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。,三能级系统,48,在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很