激光知识介绍ppt课件.ppt

第二章激光 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 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 第二章激光 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 1014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104W 脉冲式 瞬时功率可达1014W 三 波长 极紫外 可见光 亚毫米 100nm 1 222mm 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 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 E1 则两能级上的原子数目之比 数量级估计 T 103K kT 1 38 10 20J 0 086eV E2 E1 1eV 6 但要产生激光必须使原子激发 且N2 N1 称粒子数反转 populationinversion 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 演示 7 2自发辐射受激辐射和吸收 一 自发辐射 spontaneousradiation 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 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 stimulatedradiation 全同光子 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 h 上述外耒光也有可能被吸收 使原子从E1 E2 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1 E2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1 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 3粒子数反转 一 为何要粒子数反转 populationinversion 16 必须N2 N1 粒子数反转 因B21 B12 W21 W12 产生激光必须 17 He Ne激光器中He是辅助物质 Ne是激活物质 He与Ne之比为5 1 10 1 18 电子碰撞 碰撞转移 19 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与He的21S和23S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 20 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 21 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 3S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 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 0 6328 1 15 m3 39 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 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 dxI dI 有dI Idx 写成等式dI GIdx 定义 增益系数G gaincoefficient 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 全反射镜 部分反射镜 I1 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I1 R2I0eGL I2 R1I1eGL R1R2I0e2GL 在激光形成阶段 即R1R2e2GL 1 或 须I2 I0 1 28 式中Gm 称为阈值增益 即产生激光的最小增益 在激光稳定阶段 即 光强增大到一定程度后 须I2 I0 1 29 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 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 不会 30 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 thresholdcondition 31 5光学谐振腔纵膜与横模 opticalharmonicoscillator longitudinalmodeandtransversemode 激光器有两个反射镜 它们构成一个光学谐振腔 32 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 33 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 若氦氖激光器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 34 设氦氖激光器Ne原子的0 6328 m受激辐射光的谱线宽度为 如图所示 1 3 109Hz 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 35 由于 为什么激光的谱线宽度会小到 10 8 取绝对值 36 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 n 谐振腔内媒质的折射率 37 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 n 1 0 c 108m s 38 而氦氖激光器0 6328 m谱线的宽度为 1 3 109HZ 因此 在 区间中 可以存在的纵模个数为 39 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10c 即 L 10 40 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 41 小结 产生激光的必要条件 激励能源 使原子激发 粒子数反转 有合适的亚稳态能级 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 42 6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 43 例 激光光纤通讯 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 44 例2 激光手术刀 不需开胸 不住院 照明束 照亮视场 纤维镜激光光纤 成象 有源纤维强激光 使堵塞物熔化 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 45 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反复移动 来探测固体表面的情况 试样通常是微电子器件 46 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 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 为了跟踪尖端的振动情况 将一束激光分成两束 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 47 可检测出尺度小至5毫微米的表面起伏变化 用于检查