激光原理技术及应用第一章第二章 、

激光原理 上课时间 18周 复习1周成绩计算 考勤 10分 作业 30分 考试 60分 参考书 激光原理技术及应用 李相银等 哈工大出版社 激光技术 蓝信钜等 科学出版社 激光原理 周炳琨等 国防出版q 422575911Email lxjzbj 课时及考试 形形色色的激光 激光的原理及技术基础激光工作物质及基本原理光学谐振腔激光器工作原理典型的激光器件激光技术 教学内容 激光 Laser lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 理论 量子理论1917爱因斯坦 美 诞生 红宝石激光器1960年梅曼 美 半导体激光器1960年尼古拉 巴索夫 苏 条形码扫描器 1974激光盘播放机 1978CD播放机 1982光纤 1988欧美 第一章激光的原理及技术基础 500万亿瓦 1000倍美国 400倍中国2012年192束三个足球场10亿分之一秒 2mm 国家点火装置 NIF 2013 4000万度 East托卡马克 2001建成2011年升级1013瓦6kJ ns240mm口径 神光二号 信息传播 存储加工系统 激光器 导光系统 加工机床 控制系统及检测系统军事科技 激光光谱 激光雷达 激光武器 工业 激光打标 激光打孔 激光裁床 激光切割 激光绣花 激光热处理 激光快速成型 激光的应用 医疗卫生 激光生命科学研究 激光诊断 激光治疗 炫酷 影像在空中投影 手表上就可以没有表面 中间悬空显示时间 日常生活 激光灭蚊 也能分辨雌蚊子和雄蚊子之类 光 以光速运动的光子流光子的能量 光子的质量 m 2 2光子的动量 光子的偏振 两种可能的独立偏振光子的自旋 自旋量子数为整数 服从玻色 爱因斯坦分布 光子的基本性质 一 高方向性和空间相干性探照灯 平面发散角10mradW L 激光器 平面发散角10 4mrad激光器的平面发散角 波长D 光束直径 1 1激光的特点 例题 激光器的波长 2 m 其输出孔径为2m 当其传播到100km距离时 激光束的直径约为多少 激光平面发散角为多少 1 22m 相干光 频率 偏振方向相同 位相差恒定同一状态的光子或同一模式的光波是相干的 不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的 空间相干性 横向相干性相干长度 相干截面 在光束整个截面内的任意两点间具有完全确定的相位关系的光场振动是完全相干的 1 1激光的特点 以激光辐射的谱线宽度表征 或 辐射谱线宽度 或 中心频率和波长 和 单色性和相干时间 相干 相干长度 相干 相干 时间相干性 在小于和等于相干时间的空间延时范围内 被延时的光波和后续光波完全相干 1 1激光的特点二 单色性和时间相干性 计算 1为使氦氖激光器的相干长度达到1km 它的单色性应该是多少 波长632 8nm 2普通光源氪灯发出的波长605 7nm 低温下其谱线半宽度0 47 10 6 m 求其相干长度 相干光源 高的相干光强 大相干面积 长相干时间激光 高单色性 高定向性 单色亮度 太阳光 2 6 10 12W cm2 Sr Hz 气体激光器 10 2 102W cm2 Sr Hz 固体激光器 10 103W cm2 Sr Hz 调Q大功率激光器 104 107W cm2 Sr Hz 1 1激光的特点三 高亮度和光子简并度 高简并度 处于同一光子态的光子数 计算 设某气体激光器亮度为10W cm2 Sr Hz 波长为500nm 计算光子简并度 1 1激光的特点三 高亮度和光子简并度 作业 p21T3 4T3 谱线宽度 半宽度 0 63 10 9 是科学计数法 T4频率6 1014Hz单位 简并度的计算出现数量级错误 有效数字问题8 182 10 3还是8 18 10 3的问题 原子的内能 电子动能 位能能级 分离的能级E2 E1自发辐射受激吸收受激辐射 1 2激光的产生一原子能级 E1 基态能级E2 激光输出能级 亚稳态 E3 抽运激光上能级量子数反转 E2和E1红宝石激光器半数以上的粒子抽运 1 2激光的产生一 三能级系统 E4 抽运能级E3 激光输出能级E2 激光最终能级E1 基态 1 2激光的产生三 四能级系统 上能级E2 g2能态 粒子数密度 n2下能级E1 g1能态 粒子数密度 n1热平衡 E2 E1 T 0有 粒子数反转 1 2激光的产生四 粒子数反转条件 激光工作物质 粒子数反转 产生激光固体 液体 气体 自由电子泵浦源 光能 电能 化学能 原子能光学谐振腔 全反射镜 部分透射镜 1 3激光器的基本组成一 基本结构 凹面反射镜 凸面反射镜 平面反射镜 其中R 曲率半径 f 焦距S 物距 S 相距 1 3激光器的基本组成一 基本结构 几种谐振腔 半共焦腔非共焦平凹腔 1 3激光器的基本组成一 基本结构 波长 X射线到毫米波波段功率密度 1019W cm2脉冲 6 10 15s1固体激光器 广泛 红宝石 掺钕钇铝石榴石 钕玻璃激光器 钛宝石 2 气体激光器 He Ne He Gd Ar N2 CO2 准分子激光器大功率3 半导体激光器 小 长寿 价低 1 3激光器的基本组成二 激光器种类 4染料激光器 连续调谐5 化学激光器 波长范围大 定向能武器 HF2 7um 3MW6 自由电子激光器 1 3激光器的基本组成二 激光器种类 光线在谐振腔内的行为稳定腔 能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振腔的腔 双凸腔 为非稳腔 1 4光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件 共焦腔条件 R1 R2 RL Rf1 f2 f R 2 光线在共焦腔内的行为 凹面镜组成的非稳谐振腔 稳定腔腔长L 曲率半径R1 R2 记J1 1 L R1 J2 1 L R2稳定腔条件 1 平凹腔 R2 L 2 双凹腔 R1 L R2 L 或R1L 3 凹凸腔 R1 L R1 R2R1 L 稳定条件 非稳腔 J1J2 1或J1J2L 即J1J21 5 凹凸腔 R2L 即J1J2 1 R1 R2分别为凹 凸面镜的曲率半径 非稳腔 J1J2 0或J1J2 1的腔 1 对称共焦腔 R1 R2 L 即J1 0 J2 0 2 平行平面腔 J1 J2 1 3 共心腔 L R1 R2 J1J2 1临界腔介于稳定腔和非稳腔之间 临界腔 振荡模式 振荡频率和场强的空间分布 电磁场空间分布 沿传播方向 腔轴方向 的E z 垂直于传播方向 E x y 在腔内可能存在的稳定光场的本征态 1 5激光振荡模式 纵模 沿腔轴线方向电磁场的本征态 纵向光场分布 纵模数多 单色性差 横模 在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态 横向光场分布 光腔模式 谐振条件 形成激光a b c相位差2 的整数倍设腔长L 折射率 则 由谐振条件 谐振频率 谐振频率间隔差 激光的纵模 腔长30cm的He Ne激光器线宽1 5 109Hz 频率间隔 L 10cm的He Ne激光器Ne原子发射波长0 6328um的荧光线宽1 5 109Hz 单纵模激光器多纵模激光器 L 30cm时 线宽5 108Hz 出现三个纵模 影响纵模数的因素 荧光线宽 谐振频率间隔线宽越大 纵模数越多 谐振腔的频率间隔越小 L越大 纵模数越多CO2 10 6um光谱线宽度 108Hz 腔长1m 频率间隔 c 2 L 1 5 108Hz 单纵模氩离子激光器0 5145um 光谱线宽度6 0 108Hz 腔长1m时纵模间隔 1 5 108Hz 多模Nd3 YAG1 06um的光谱线宽度1 95 1011Hz 多模 横向强度分布TEMmnq mn 横模指数 m n越大 图形越复杂 偏离光传播轴线越远基横模光强高斯形 光场分布均匀 高阶横模分布不均匀 发散角大 q纵模指数 q越大 纵模数越多 激光的横模 减少激光模式数 改善方向性 提高单色性 激光选模 由0 J1J2 1作图 J1 1 L R1 J2 1 L R2 一个光学谐振腔 R1 R2 L 对应一个点如平凹腔 L R2 谐振腔稳定图 例题 一个双凹腔的曲率半径为R1 100cm R2 150cm 求腔长L在什么范围内是稳定腔 非稳定腔 作业 P21T5 6 光腔损耗 工作物质内部损耗谐振腔的损耗 1 6光腔的损耗和激光振荡的阈值条件 透射光腔内元件谐振腔晶面的散射和吸收衍射损耗 尺寸 模式 横摸指数越高 衍射损耗越严重 谐振腔损耗 不均匀 折射 发射能级 吸收光子气体激光器均匀性好于固体 激光工作物质内部损耗 平均单程损耗因子 往返一次 We0为t 0时的光子密度往返m次 所需时间为t 令 谐振腔内光子寿命 当考虑到增益系数G 有 当G 时 光子数增加 平行平面腔反射率r1 r2 不完全反射损耗系数 r 则 谐振腔内损耗 内 则总损耗因子 为 光强随距离z变化 阈值条件 激光振荡阈值条件 谐振腔品质因子Q 知 则 由得 谐振腔的品质因子与光谱线宽度 自然加宽 Q值越高 线宽越窄 单色性越好 稳定的激光增益等于损耗 Q值无穷大 自发辐射的影响纵模频率 频率漂移 折射率和温度He Ne激光器 百分之一 106Hz 单模激光的线宽极限 2 1黑体辐射与普朗克公式绝对黑体 完全吸收投射于它的任何频率的电磁辐射的物体 热辐射 温度辐射 从任一物体发出的电磁辐射 黑体辐射 黑体内部辐射的能量等于吸收能量时 黑体内部存在的辐射场 第二章激光工作物质及基本原理 黑体辐射是黑体温度T和辐射频率 的函数单色能量密度 单位体积内频率处于 附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量 单位 J m 3 s与腔体的材料和结构无关 普朗克 光量子 0 h 黑体辐射 模式 振子的振动状态 温度T的热平衡条件下 黑体辐射分配到每个模式上的平均能量 单位体积 频率在 d 间隔的光波模式数 黑体辐射普朗克公式 玻尔兹曼常数k 1 38062 10 23J oC 普朗克公式 黑体辐射是辐射场和物质原子相互作用的结果 自发辐射 受激辐射 受激吸收自发辐射 光和物质的三种相互作用 自发辐射几率A21 单位时间内n2个高能态上的原子发生自发跃迁的原子数 dn21 dt 与n2的比值 dn21 sp为自发辐射引起的由E2向E1跃迁的原子数单位时间内E2能级上减少的粒子数密度 则有 自发辐射 由能级平均寿命 得 比较 得 A21 自发辐射跃迁爱因斯坦系数 s 自发辐射寿命 受激吸收跃迁 处于低能级E1的一个原子 在频率为 的辐射场作用下 吸收一个能量为h 的光子并向E2能级跃迁 受激辐射跃迁几率W12 A21只与原子本身性质有关 W12与原子本身和辐射场的 成正比 B12 受激辐射爱因斯坦系数 只与原子性质有关 受激吸收 受激辐射 处于高能级E2的原子 在频率为 的辐射场作用下 跃迁到低能级E1并辐射一个能量为h 的光子 受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射 受激辐射跃迁几率 B21 受激辐射爱因斯坦系数 受激辐射 热平衡时 即 得 由于 及玻尔兹曼分布律 得 爱因斯坦关系式 要对任意h kT都成立 必须有系数相等 当T趋向正无穷大时 有三种相互作用的爱因斯坦关系式当g1 g2时 有 热平衡态的黑体辐射得出 适用于激光产生过程 爱因斯坦关系式 自发辐射和受激辐射T 1500K 500nm的辐射 自发辐射为受激辐射的2 109倍 自发辐射和受激辐射比较 常温下 即光入射后 因吸收而衰减 受激辐射和受激吸收比较 单一频率自发辐射单位体积内原子发出的自发辐射功率 谱线加宽 由于各种物理因素的影响 自发辐射功率分布在 E2 E1 h附近一个很小的频率范围内 自发辐射为功率的函数p 总功率 谱线加宽及谱线宽度 归一化线形函数谱线宽度 半极大值处对应的频率宽度 谱线宽度 均匀加宽 加宽的物理因素对每个原子都是等同的包括 自然加宽 碰撞加宽及晶格振动加宽自然加宽 自发