第1章_激光基础概述.ppt

第一章激光基础概述 1 1激光的特点 激光具有高定向性 高单色性或相干性辐射学的角度 高亮度统计学 高光子简并度 高方向性 高定向性 在近似情况下 激光器输出的平面发散角等于光束的衍射角 立体发散角为 由于激光是在谐振腔中振荡输出的光 因此具有很好的方向性 常规激光光束的发散角在10 6rad 10 6rad D光束直径l激光波长 经过一定距离L后的光斑大小 激光的相干性 空间相干与时间相干性 空间相干性 空间相干性又可称为横向相干性 由所谓的横向相干长度来表征 由光束的平面发散角决定 即 定义为相干截面 即 相干 coherent 即波面各处均存在固定的相位关系 单色性和时间相干性 以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光的相干时间 单色性和相干时间之间存在简单关系 即 即单色性越好 相干时间越长 有的还用所谓纵向相干长度来表示相干时间 则有 高亮度和光子简并度 对激光辐射而言 由于发光的高定向性 高单色性等特点 决定了它具有极高的单色定向亮度Bv 高的光子简并度是激光的本质 它表示有多少个性质完全相同的光子 具有相同的能量 动能和偏振 共处于一个波型 或模式 之内 这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度 单位面积 单位带宽 单位立体角的功率 可以看出 单色定向亮度和光子简并度是两个彼此相当的物理量 但是从激光物理过程来说 无疑光子简并度是更本质 更直接的物理量 激光的光束传播用光学矩阵的方法描述激光具有能量的高度集中性激光光束传播的高度定向特性 因此可以近似将激光束抽象为近轴光线来处理 2 激光的产生 一 原子能级 原子内部的电子可以通过与外界交换能量从一种运动状态改变为另一种运动状态 对于每一种运动状态 原子具有确定的且不连续的内部能量值 称原子的每一个内部能量值为原子的一个能级 激发态 基态 光和物质的三种相互作用 自发辐射 受激辐射 受激吸收 三能级系统 抽运能级 激光输出能级 亚稳态能级 激光跃迁 基态与激光最终能级 三能级系统简图 在 这两个能级间实现了粒子数反转 上粒子跃迁回时 产生受激辐射 从而产生激光 典型的红宝石激光器就属于三能级系统 快速衰变 泵浦抽运 四能级系统 抽运能级 激光输出能级 亚稳态能级 激光最终能级 激光跃迁 基态 四能级系统简图 典型的激光器 钕玻璃激光器等都属于四能级系统 快速衰变 快速衰变 泵浦抽运 粒子数反转条件a 正常能级粒子数分布 单位体积中处于上能级的粒子和下能级的粒子的玻尔兹曼分步率为 由于且 所以热平衡时 有 满足上式的粒子数分布 通常称为粒子数正常分布 粒子数正常分布 g1 g2为E1 E2能级上的简并度 即各能级上相同能量但不同状态的粒子数 粒子数反转分布 在激光器工作物质内部 由于外界能源的泵浦 破坏了热平衡 有可能使处于上能级的粒子数密度大大增加 达到 满足上式得粒子数分布 称为粒子数反转分布 b 粒子数反转分布 3 激光器的组成 一 基本结构 全反射镜 激光输出 输出镜 泵浦源 激光器基本结构 激光工作物质 泵浦源 激励源 光学谐振腔 激光器示意图 谐振腔 作用 光学正反馈形成激光持续振荡 对振荡光束的方向 频率形成限制 保证单色性与方向性类型 平行平面腔凹面腔平凹腔 规定 凹反射镜 凸反射镜 平面镜 高斯公式 S为物距 S 为相距 f为反射镜焦距 二 激光器种类 1 固体激光器 2 气体激光器 3 半导体激光器 4 染料激光器 5 化学激光器 6 自由电子激光器 红宝石激光 0 6943mm 脉冲107WYAG激光 1 064mm 连续 脉冲 几百兆瓦 钛宝石激光0 66 1 18mm可调协 飞秒He Ne 0 6328mm 连续He Cd 0 4416mm 0 325mm 0 532mm 0 5373mm准分子激光 KrF激光0 248mm脉冲Ar离子激光 0 488mm 0 5145mmCO2激光 10 6mm连续脉冲半导体 0 4 48mm化学激光器 氟化氘 HF 2 7mm自由电子激光器 2 8mm 脉冲 4 光线在谐振腔内的行为谐振腔的稳定条件 光线在谐振腔内的振荡 L 双凸腔 共焦腔 双凹 入射平行光S 则S f 0 4 光线在谐振腔内的行为谐振腔的稳定条件 为达到光被不断放大 激发的目的 要求谐振腔能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振腔 满足这一要求的腔称为稳定腔 L 令 稳定腔 满足条件 非稳腔 满足条件或 谐振腔 临界腔 满足条件或 稳定腔 平 凹腔 R1 R2 0 当R2 L双凹腔 R1 L R2 L 或R1L凹凸腔 R1 0 R2L R1 R2 L或R2 R1 L 非稳定腔 平 凸腔 R1 R20 R2R1 0 J1J2L J1J2 1平凹腔 0L J1J21 临界腔 平行平面腔 R1 R2对称共焦腔 R1 R2 L共心腔 J1 R2 R11J2 R1 R2 非稳 非稳 非稳 非稳 稳 稳 o K D L M N J1 J2 谐振腔稳定图 例如平凹腔 R1 J1 1D点J2 1 R2 K点J2 0 R2 L L0 R2 0J1 1 0 所以J2必须 1 J2 00 5L R2 L 5 激光振荡模式 纵模 只有某些特定的频率光波满足谐振条件 才可以在腔内形成激光谐振条件 广播在腔内走一个来回的相位改变晾为2 的整数倍 干涉才能互相加强 这就是谐振条件 也是形成激光的必要条件 5 激光振荡模式 纵模 q纵模谐振频率纵模频率间隔 激光器中出现的纵模数与两个因素有关 原子自发发射的荧光宽度 越大 纵模数越多 2谐振腔的谐振频率间隔 L越大 频率间隔越小 纵模数越多 L为腔长 为腔内折射率 q为模式序数 腔内谐振条件 激光的横模 谐振腔中横向不同的光场分布 称为不同的横模 激光的横模 TEM表示不同的光场分布 命名横模的规则 见课本P16 6 光腔的损耗和激光震荡的阀值条件 光腔损耗的主要因素衍射损耗腔镜的吸收 散射和透射引起的损耗几何偏折损耗腔内介质的激活吸收 散射及插入元件引起的损耗 谐振腔内光子寿命 物理意义为 经过时间的光子密度衰减为初始光子密度的1 e倍 谐振腔内光子寿命 由于腔内有损耗 因此光束在振荡过程中 光子的数量在减少 减少的速度与平均单程损耗因子 有关 L为腔长 We0为初始光强 We为某时光强 教材中的定义 如果腔内激光介质的增益为G 则振荡m次后腔内光子密度变化为 意味着光子数增加 如果腔内激光介质的增益为G 则振荡1次后腔内光子密度变化为 激光振荡阈值条件 光子在谐振腔给所获得的增益只有大于或等于腔内总损耗系数时 激光才能形成振荡 以平行平面腔为例 其阀值条件为 腔内总损耗 单程 为腔内其它损耗 反射镜不完全所致损耗 谐振腔品质因