激光的原理及技术基础

激光原理技术及应用,激光原理技术及应用,引言,教学目的：通过这门课程的学习，使同学们可以了解和掌握激光器的一些基本原理和基本技术，培养同学们分析解决有关激光物理问题的能力，这门课特别强调了物理概念的深入理解，为今后从事光信息方向的科研、教学、工作打下扎实的理论基础考核方式：闭卷考试(70%)+平时成绩(30%),目录,第1章激光的原理及技术基础第2章激光工作物质及基本原理第3章光学谐振腔第4章激光器工作原理第5章典型的激光器件第6章其他激光器第7章激光技术第8章光电技术器的设计及参数选用原则,激光简介,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明最快的刀-激光的功率可以集中在极小的空间范围内，如激光切割、激光手术、激光武器的应用；最准的尺-激光可以很准确的测量距离，在光学测距仪中是数一数二的；最亮的光-激光的强度约是太阳光的100亿倍；,激光的起源,起源：1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论光与物质相互作用。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的放大光”，简称激光。这一理论是现代激光系统的物理学基础,激光的发展,1953年：美国物理学家CharlesTownes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）1957年：Townes的博士生GordonGould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束1960年：美国TheodoreMaiman实现了第一束激光1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。1974年：第一个超市条形码扫描器出现1975年：IBM投放第一台商用激光打印机1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现。,1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤,激光的原理早在1916年已被爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。,第一章激光原理及技术基础,1.1激光的特点,激光的定义：通过受激发射的放大光laser-lightamplificationbystimulatedemissionofradiation激光的特点,1.高方向性2.高单色性3.高亮度4.高相干性5.高光子简并度,高方向性,普通光源是向四面八方发光的，如太阳光和灯光等。要让发射的光朝着一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如探照灯和汽车的车前灯都是安装有聚光作用的反光镜，使光汇集起来向一个方向射出。,激光器发出的激光，天生就是朝一个方向射出，光速的发散角度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。,例如：1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。应用：由于光能集中在很小的空间传播，能在远距离获得强度很大的光束，从而可以进行远距离激光通信、测距、导航灯；另外利用激光的高方向性，还可以为导弹、炸弹瞄准，做到指哪打哪，百发百中。,高单色性,光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色光的波长范围越窄，单色性越好太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，不具有单色性氪灯是单色性最好的，只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，但是他的波长仍有一定的分布范围，若仔细辨认仍包含有几十种红色氦氖激光器的波长分布范围可窄到210-9nm，是氪灯的2/10000激光器的单色性远远超过任何一种单色光源,高亮度,普通光源中氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下激光的亮度是太阳光的100亿倍甚至更高，被称为”最亮的光“激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在极小的空间范围内，被称为”最快的刀“,高相干性,光的相干性：振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定相干性主要是描述光波各个部分的相位关系空间相干性：在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性，描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系。通常用相干面积来表征。发散角越小，相干面积越大，空间相干性也就越好。S相干=(/)2时间相干性：在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在数量级上，相干时间是光波频率宽度v的倒数。对理想的单色光，v=0，因为它具有精确的频率值。于是它的相干时间为无穷大，具有最好的时间相干性。单色性越高，相干时间越长相干=1/,高光子简并度,光子简并度：它表示有多少个性质完全相同的光子（具有相同的能量、动量与偏振）共处于一个波型之内，这种处于同一光姿态的光子数就称为光子简并度。同态光子数同一模式内的光子数处于相干体积内内的光子数处于同一相格内的光子数激光具有高光子简并度，普通光源具有低光子简并度,高光子简并度是激光的一个基本特征，是区别于普通光源的重要特点。高光子简并度在宏观上表现为极好的方向性、单色性、高亮度和相干性。前面的四种观点都是从宏观特性的不同方面来考虑的，激光的本质是高光子简并度。激光的发展：激光的光子简并度的再提高。,1.2激光的产生,激光也是一种光，和普通光源如太阳、火焰、白炽灯等所发的光没有什么本质上的差别。激光有高方向性、高单色性、高亮度、相干性等显著的特点。这些特点是由激光的发光机理与激光器的特殊结构所决定的。各种发光现象都与光源内部原子、分子的运动状态的变化有关原子的能量和能级,原子能级,电子围绕原子核不停的运动动能原子核与电子相互吸引位能,】,原子内能,原子内部各个电子绕原子核做轨道运动的同时，还做自旋运动。,自发辐射和受激辐射,自发辐射受激辐射,处于基态的原子，由于受到外界的激发，原子就可以跃迁到较高能量的激发态，原子的这种能态的变化过程称为激发过程。但是处在激发态的原子是不稳定的，它们在激发态停留的时间很短，大约在10-8s数量级，即激发态的寿命约为10-8s，再没有任何外界作用的情况下，它们会自发的从高能级跃迁到低能级状态或基态，并辐射出一个光子，这样的辐射称为自发辐射（Spontaneousradiation)。,自发辐射,这种过程与外界无关，各个原子都是自发、独立地进行。即这个过程是个随机过程。处于高能级的原子何时自发地辐射光子，带有偶然性。所以，各个原子在自发过程中所发出的光子其位相、传播方向、频率、偏振状态等都没有确定的关系。换句话说，自发辐射的光是非相干的。普通光源的发光都属于自发辐射。,自发辐射的特点,受激辐射,1917年爱因斯坦研究热辐射时就预言：在辐射过程中，除自发辐射外，同时还存在另一种辐射即“受激辐射”。四十多年后第一台激光器开始运转，爱因斯坦这一预言得到了有力的证实。,如图，处在激发态的原子，如果在它发生自发辐射之前，当有外来光子（即外来电磁场）影响它时，且外来光子的频率正好是21。,E1,E2,h21,E1,E2,h21,h21,这个原子可能受到外来光子的“刺激”,引起由高能级E2向低能级E1跃迁，同时发出一个光子，此时光子由一个变成两个-“受激辐射”（Stimulatedradiation)。,受激辐射的特点,1.它不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”，它对外来光子的频率有严格的要求。即必须满足能级和频率的关系。,2.受激辐射的光子与原来入射的光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态、相同的位相和速率。3.原来入射的光子与受激辐射产生的光子是两束一模一样的光，它们是相干的，它们相互叠加后，就会使光的强度增大，即受激辐射引起了光放大。,激光的发光特点,激光和普通光的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主，各个发光中心发出的光波，无论在方向、位相或者偏振态上都是各不相同的。激光则以受激辐射为主，各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。,三能级系统四能级系统粒子数反转,如图为三能级的示意图。E1为基态，E2和E3为激发态。其中E2是个特殊的能级，,三能级系统,原子在E2能级上的寿命要比在E3上长的多，一般长达10-3秒，比E3稳定多了，所以称E2为亚稳态能级。,E2,E1,受激吸收,受激辐射,自发辐射,激励,抽运,E3,无辐射跃迁,10-8s,10-3s,三能级工作物质,在泵浦源的激励下，基态E1上的原子被抽运到激发态E3上（激发到E2上的几率很小），因而E1上的原子数N1减少。,由于E3态的寿命很短（10-8s），原子将很快以“无辐射跃迁”的方式跃迁到亚稳态E2上，由于E2寿命长，从而能在其上积累大量粒子，使E2上的粒子数N2不断增加。,一方面是N1减少，另一方面是N2增加，直到N2N1，实现了亚稳态E2与基态E1之间的粒子数反转分布。,E2,E1,受激吸收,受激辐射,自发辐射,激励,抽运,E3,无辐射跃迁,10-8s,10-3s,三能级工作物质,三能级系统中，是在亚稳态能级和基态能级之间实现粒子数反转，而在基态能级上又聚集着大量粒子，因此要实现N2N1，外界抽运的泵浦源必须相当强，这是三能级结构一个显著缺点。,四能级系统,为了克服三能级系统的缺点-四能级系统。,E1基态，E2、E3、E4激发态,在泵浦源的激励下，E1上大量粒子被抽运到E4上，因E4寿命很短，粒子迅速无辐射跃迁到E3，使E3上粒子数积累。,E1,抽运,E4,E2,E3,受激吸收,受激辐射,自发辐射,激励,无辐射跃迁,常温下，E2是空能级（其上粒子数很少），故很容易在E3和E2间形成粒子数反转，且E2的寿命也很短，由E3经受激辐射到E2的粒子很快又无辐射跃迁到E1。可见，在四能级工作物质中，使E3与E2间实现粒子数反转比在三能级工作物质中容易得多，而且效率高。,粒子数反转（Populationinversion),通过讨论我们看到，上述体系不可能获得受激辐射光放大。要想获得这种效应，除非使体系处于非热平衡态，即设法使处于高能级上的原子数目多于低能级上的原子数目。这样，使原子获得正常分布的反转状态，这种分布称为粒子数反转。,首先要具备必要的能量输入系统，通常采用光能、化学能、核能等能源去激励处于低能级上的原子，使它向上跃迁到高能级，从而实现粒子数反转。这个过程叫“抽运”或“泵浦”。用光作为激励源的叫“光泵”；用化学能作为激励源的叫“化学泵”；用核能的叫“核泵”等等。,如何实现粒子数反转?,尽管激励的方式不同，但目的是要使物质中有尽可能多的粒子吸收能量后，从低能级不断激发到高能级上去，有选择性的使某个或某几个较高能级上的原子数目大大的增多，并且超过低能级上的原子数，使原子数的分布状态与热平衡的正常分布相反，从而实现粒子数反转。,实现粒子数反转，除了强有力的泵浦源以外，还有一个重要的条件，就是要求所选择的物质具有合适的能级结构。因为并非各种物质都能实现粒子数反转；在能实现粒子数反转的物质中，也不是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。我们把能造成粒子数反转的物质称为激活媒质（或称为激光器的工作物质）。,1.3激光器的基本组成,激光器的基本结构：增益介质激励源光学谐振腔,激光器工作原理,光学谐振腔有什么作用？,1.正反馈作用:维持激光持续震荡以形成受激发射，即增强光放大作用（延长了工作物质）；,2.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；,3.使激光具有极好的单色性（选频）。,为什么要研究光学谐振腔？,影响谐振腔的光学反馈作用的三个因素：1、组成腔的两个反射镜面的反射率；2、反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式；3、两个腔镜之间的距离。,通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的要求。,相关规定和谐振腔型,光线光学中，规定光线传播在反射镜前为正，在反射镜后为负。,对凹面反射镜：,对凸面反射镜：,对平面反射镜：,式中，,为反射镜曲面半径；为反射镜焦距。,上述三种反射镜可任选两种组成不同的光学谐振腔。,平平腔由两块相距为L、平行放置的平面反射镜构成,双凹腔由两块相距为L，曲率半径分别为R1和R2的凹球面反射镜构成,常见的谐振腔型,双凸腔,R1LR2,激光器的种类,按工作介质的性质来分类固体激光器气体激光器半导体激光器染料激光器化学激光器自由电子激光器,在谐振腔内，若要产生激光，则光必须在两反射镜中来回反射以实现光放大，所以，研究谐振腔的任务之一就是研究光在腔内的几何偏折损耗。,非稳定腔光线有限次反射后便逸出腔外几何偏折损耗大(高损耗腔),稳定腔任何光线可以在腔内往返无限多次不会逸出腔外几何偏折损耗小(低损耗腔),临界腔性质介于稳定腔和非稳腔之间，部分光线有限次反射后便逸出腔外，而另一部分光线则往返无限多次也不会逸出腔外,1.4光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件,一、光线在谐振腔内的行为,1、光线在双凸腔内的行为,双凸腔：由两个凸面镜按照任意间距组成。,非稳腔,2、光线在共焦腔内的行为,共焦腔R1=R2=L，f1=f2=R/2,稳定腔,光线在腔内形成闭合回路，不管如何反射都不会逸出腔外。,平行平面腔R1=，R2=,M1,M2,R1,R2,平行平面腔，通过公共中心的光线稳定不通过公共中心的光线不稳定,3、光线在平行平面腔内的行为,临界腔,谐振腔几何参数示意图,、,谐振腔的结构由其几何参数所决定。令：,当凹面镜向着腔内时，R取正值；当凸面镜向着腔内时，R取负值。,二、腔的稳定条件,只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔),非稳腔,稳定腔,临界腔,由几何光学方法可以证得谐振腔的稳定条件为：,其中,注意：非稳腔仅指其损耗大，它也能稳定工作,01,非稳腔,R11得到J1J21,例4.平凹腔：由一个平面镜和一个凹面镜按照任意间距组成。,由于R1=,R20所以J1=1，J20J20R2L非稳腔：J1J20J20所以J1L或者R1L,非稳腔条件：R1L，R2L或者R1+R20,R21,稳定腔条件：R1L，R1+R21，多纵模,1.5激光振荡模式,例如：对于腔长为10cm的He-Ne激光器，它所发射的光束波长为0.6328m处的谱线宽度为F=1.5109Hz，问腔中有多少纵模？若同样条件下，腔长为30cm呢？,影响纵模的因素：1.腔长L。腔长越长，两个谐振频率间隔差越小，纵模数越多2.光束本身线谱宽度F。线谱宽度越宽，纵模越多,二、激光的横模,定义：在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面，就不会有除了基模以外的其它横模输出。这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。反射面和端面都不可能是理想平面，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。（这个方向差异通常非常小）多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。,1.5激光振荡模式,横模(光束横截面上的光强的稳定分布),激光束横截面上几种光斑图形,1.5激光振荡模式,光腔模式是横模和纵模的组合，以符号TEMmnq表示，其中m、n为横模指数，q为纵模指数m、n取值越大，光斑图形越复杂，该横模偏离光传播轴线越远，方向性越不好；q值越大，纵模数越大，单色性越不好。每一组m、n、q代表一种模式，一种光场分布，对应一个谐振频率横模和纵模分别从两个侧面反映腔内光场的情况，只有两者结合起来才能全面的反映腔内的光场分布,1.5激光振荡模式,1.6光腔的损耗和激光振荡的阈值条件,引入：如果谐振腔内工作物质的某能级处于粒子数反转状态,则频率处在它的谱线宽度内的微弱光信号会因增益而不断增强（光放大过程）。另一方面,谐振腔中存在的各种损耗,又使光信号不断衰减。能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学谐振腔,要获得光自激振荡,须令光在腔内来回一次所获增益，至少可补偿传播中的损耗。损耗大小是评价谐振腔的一个重要指标定义：光腔的损耗是指光在腔内传播时，由于各种物理因素造成的光强的衰减。,一、光腔的损耗类型,1.几何偏折损耗光线在腔内往返几次，可能逸出腔外，这种损耗称为几何偏折损耗。几何偏折损耗与腔型、模次的高低有关。,1.6光腔的损耗和激光振荡的阈值条件,非稳腔几何损耗较大稳定腔几何损耗很小,2.衍射损耗是谐振腔的固有损耗，由于腔的反射口径有限，光在其上会发生衍射，造成一部分能量损失，称为衍射损耗。与腔的几何尺寸、模式有关。横模指数越高，衍射损耗越严重。衍射损耗与腔的菲涅耳数（N=a2/L）有关,1.6光腔的损耗和激光振荡的阈值条件,3.腔镜反射不完全引起的损耗：一部分光从部分反射镜透射出去，这部分光就是输出的激光，这对谐振腔来说是一种损耗，一种有用的损耗4.非激活吸收、散射损耗：a.工作物质对光有吸收引起的损耗b.固体内有杂质造成散射引起的能量损耗。,1.6光腔的损耗和激光振荡的阈值条件,1.定义平均单程损耗因子来定量描述：光在腔内单程走过时光强的平均衰减百分数。,二、损耗的描述,设初始光强为I0，在光腔中往返一次后，光强衰