第一章 激光原理及技术.ppt

1,第1章激光原理及技术,2,1.1辐射理论概要,光量子学说及光的波粒二象性原子能级、简并度及波尔兹曼分布光和物质的相互作用,3,光量子学说及光的波粒二象性,两种学说的争论,3,光的微粒说,光的波动说,光本性的两种观点,代表人物：牛顿,观点：光是一种微观粒子，光的传播就是粒子的传播,代表人物：惠更斯,观点：光是一种机械波，光的传播就是机械波的传播,现象：光的直线传播、反射、黑体辐射、原子线状光谱和光电效应,现象：光的直线传播、反射、干涉、衍射和偏振,4,19世纪60年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，认为光是一定频率范围的电磁波，为光的波动说奠定了基础。,光的本质的争论,积分形式的麦克斯韦方程组:,(1)电场高斯定理:在时变的条件下，从任意一个闭合曲面出来的D的净通量，应等于该闭曲面所包围的体积内全部自由电荷之总和。,(2)法拉第电磁感应定律:电场强度E沿任意闭合曲线的线积分等于穿过由该曲线所限定面积的磁通对时间的变化率的负值。,(3)磁场高斯定理:对于任意一个闭合曲面，有多少磁通进入,就有同样数量的磁通离开。,(4)安培环路定理:磁场强度H沿任意闭合曲线的线积分，等于穿过此曲线限定面积的全电流。,(1),(2),(3),(4),5,5,1900年，普朗克在研究黑体辐射时提出了辐射的量子理论：能量的量子化理论，即能量是一份一份不连续的，最小能量单位就是一个量子。,19世纪60年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，认为光是一定频率范围的电磁波，为光的波动说奠定了基础。,1905年，爱恩斯坦在麦克斯韦和普朗克的基础上建立起了光量子学说：光在传播的过程中具有波动性，而在光与物质相互作用的过程中又表现出粒子性，光能量集中在一些叫做光量子（光子）的粒子上。从此，光具有波粒二象性的观点为人们所接受。,光量子学说及光的波粒二象性,6,原子能级,玻尔理论：关于原子结构的一种理论。1913年，玻尔在卢瑟福原子模型基础上加上普朗克的量子概念后提出的。,玻尔理论包括三条假说：1、原子能量的量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中的原子是稳定的，不向外辐射能量。2、原子能级的跃迁假设：原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子辐射一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。3、原子中电子运动轨道量子化假设：原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。由于原子的能量状态是不连续的，电子运动的轨道也是不连续的。,7,光子简并度,虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但其平均光子数是可以确定的。处于同一光子态的平均光子数叫做光子简并度。,注意：提高光子简并度，可以获得高相干光，是激光产生的物理基础。,光子是玻色子，不遵循泡利不相容原理，服从玻尔兹曼统计分布规律，即：处于同一状态的光子可以有无数个。多个光子处于同一状态的现象，叫做简并。,光子简并度有以下几种相同的含义：同态光子数；同一模式的光子数；处于同一相格，偏振状态相同的光子数。,电子是费米子，遵循泡利不相容原理：处于同一状态的电子只有一个。,8,玻尔兹曼统计分布,定义：处于热平衡状态时，粒子数按照能级的分布规律。,玻尔兹曼统计分布：,能级和的简并度，或称统计权重,结论：热平衡状态时，低能级的粒子数总要比高能级的粒子数多。,9,光和物质相互作用,光与物质相互作用同时存在三个过程：自发辐射受激吸收受激辐射,10,自发辐射,11,自发辐射,普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同为非相干光。,自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：,只与原子本身性质有关，与辐射场无关。,12,受激吸收,受激吸收跃迁几率：,：受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关。,与原子本身性质和辐射场能量密度有关。,13,受激辐射,当外来光子的频率满足时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。,注意：受激辐射光子与外来光子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同。,14,课堂小结,光的波粒二象性原子能级、光子简并度的概念光子玻尔兹曼统计分布规律光和物质的相互作用的三个过程及其特点,15,1.2激光产生的原理及条件,1.粒子数反转分布2.光的受激放大与谐振腔3.激光形成的基本条件与阈值条件4.激光器的结构形式5.激光器的分类及特点,16,粒子数反转分布,当系统处于热平衡时，能级上粒子数（集居数）服从玻尔兹曼统计分布：,高能级粒子数恒小于低能级粒子数，热平衡态下的物质只能收光子。,要想产生激光，必须实现粒子数反转分布。,17,粒子数反转分布,泵浦：使两个能级之间实现粒子数（集居数）反转的过程。,集居数反转：,外界泵浦受激吸收()受激辐射（）集居数反转（热平衡态）（非热平衡态）,光放大条件：,（非热平衡态）,18,光的受激放大与谐振腔,要产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内的受激辐射光子数大于受激吸收的光子数。光谐振腔的作用如下：1模式选择。保证激光器单模(或少数轴向模)振荡，从而提高激光器的相干性。2提供轴向光波模的正反馈。,M1,M2,工作物质,19,激光形成的基本条件与阈值条件,产生激光三个条件：激光谐振腔（法布里珀罗（FP腔）谐振腔）；产生光放大作用的增益物质（激光工作物质）；外界激励源（泵浦），能使上、下能级粒子数（集居数）反转。阈值条件：光在光腔内来回一次所获得的总增益必须大于或等于它所受到的总损耗。,M1,M2,工作物质,20,激光器的结构形式,常见的氦氖气体激光器，根据激光管的形式分类主要有三种结构形式：内腔式：热稳定性差外腔式：调整困难半腔式：好调整，使用方便灵活。,21,激光器的分类,根据激光器的增益介质进行分类：固体激光器气体激光器半导体激光器液体染料激光器化学激光器光纤激光器自由电子激光器其它新型激光器,22,固体激光器,2500WYAG固体激光器,23,气体激光器,工作物质：气体或蒸汽优点：1.光束方向性好。由于工作物质的光学均匀性远比固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，2.单色性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体窄，激光的单色性好。缺点：1.体积比较大。由于气体的激活粒子密度还较固体为小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出。,24,气体激光器,25,半导体激光器,不同封装形式的单发光面半导体激光器,26,光纤激光器,美国Polaronyx公司飞秒光纤激光器（模块）波长范围：1530-1600nm内固定重复频率：35-60MHz范围内固定脉宽：100fs（典型）平均功率：100mW峰值功率：0.5-20KW,27,我院太赫兹实验室的780nm100fs光纤激光器,激光器电源,28,太赫兹实验室的光纤激光器技术指标,29,Theend!,30,1.3激光的基本物理性质,31,1.3激光的基本物理性质,方向性好,高亮度,单色性好,相干性好,（一）激光光束的基本特性,（二）激光光束的模式特性,32,光束发散角=2,s,r,1.激光的方向性好,光源发出光束的方向性通常用发散角来表示。发散角：光源所发出光线中两条边沿光线之间的夹角。,不同类型的激光器的方向性：,气体激光器（He-Ne）：2210-4rad,固体激光器：2210-2rad,半导体激光器：水平方向23080竖直方向2200400,33,1.激光的方向性好,半导体激光器的光束特性：水平方向和竖直方向发散角不一致，存在像散，光束质量最差。,34,2.激光的高亮度,一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）强激光甚至可产生上亿度的高温。地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。,亮度：光源在单位面积、单位时间、单位立体角内辐射的能量。,35,具有单一频率的光波称为单色光。,任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。,波长范围越窄，光的单色性越好。,谱线宽度：通常用强度下降到,的两点之间的波长范围：,谱线宽度是标志光的单色性好坏的物理量。,3.激光的单色性好,36,激光的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。激光的颜色极纯单色性强。,3.激光的单色性好,从频域来表示单色性：,37,光的相干性：两个发光点振动的相互关联程度。,4.激光的相干性好,一、光相干的条件,两束光在某一点相遇产生干涉的条件是：频率相同、振动方向相同、位相差恒定。,二、时间相干性,由同一光源在不同时刻发出来的两光波在空间同一点的相干性。也可理解为同一光源发出的两列光波经过不同的路径，在相隔一段时间后在空间某一点会合，还能发生干涉，这段时间就是相干时间。,38,二、时间相干性迈克尔逊干涉仪,相干时间：光通过相干长度所需要的时间，记做。,相干长度Lc：两波列之间允许的最大光程差。,结论：光谱线宽度越窄，光的相干长度和相干时间则越长。,39,三、空间相干性Youngs双缝干涉,空间相干性：同一时间，由空间不同点发出的光波的相干性。,光源宽度2b、狭缝间隔d对干涉条纹会产生影响,1）临界宽度：,当光源宽度大于2bc时，不产生干涉。,40,2）2b一定时，两缝间最大允许距离（横向相干长度）：,：光源对两狭缝连线中心的张角。,单模激光器的横向相干性好。,41,激光的纵模激光的横模,（二）激光光束的模式特性,光波模式的几种含义：（1）谐振腔内稳定的电磁场分布状态；（2）能够存在与谐振腔内的驻波（两列振幅相等、频率相等、传播方向相反的简谐波叠加而成的波）。,42,激光的纵模,纵模：沿谐振腔轴线方向传播的光束所形成的驻波。,驻波条件：,n:腔内介质的折射率；l:腔长；q:正整数。,写成频率形式：,注意：每一种频率代表一种振荡方式，称为“模式”。,43,激光的纵模,纵模频谱与腔内存在的频率：,能够存在的频率,小结：谐振腔可以实现选模。,纵模的意义：决定光波的频率特性，不能在光屏上看到。,44,激光的横模,横模：与光轴垂直的方向上稳定的电磁场分布状态（或者是在横向形成的驻波）。,表示方法：TEMmnq,m,n:表示横模；q:表示纵模。,横模的意义：决定光束的方向性，可以在光屏上看到。,45,Theend.,46,1.4高斯光束,47,1.4.1高斯光束表达式,高斯光束：与光轴垂直的平面内光波电场矢量按照高斯函数分布的光束。,电场矢量表达式：,一维高斯分布函数,振幅部分,位相部分,48,：光束束腰，即z=0位置的光斑半径。,在任意z位置的光斑尺寸：,在任意z位置波面的曲率半径：,与z有关的位相因子：,49,1.4.2高斯光束的特性,Z=0时：,结论：（1）相位部分消失，z=0的平面是等相位面，类似平面波；（2）振幅按照高斯函数分布。,50,1.4.2高斯光束的特性,Z0时：,振幅部分：仍按照高斯函数分布。,51,1.4.2高斯光束的特性,Z0时：,（2）相位部分：表示波阵面是一个球面，其曲率半径为,波面的曲率中心在不断变化。,52,1.4.2高斯光束的特性,光束发散角,远场发散角：,腰斑越小，发散角越大。,53,1.4.3高斯光束的变换,（1）q参数变换：引入一个q参数，将高斯光束的两个重要参数同一起来。,根据q参数可以很容易求出另外两个参数：,54,1.4.3高斯光束的变换,根据q参数求高斯光束在自由空间中的传输规律,由Z0位置传输到Z位置时：,z0,z,55,1.4.3高斯光束的变换,（2）高斯光束通过透镜的变换,q参数变换：,半径关系：,56,1.4.3高斯光束的变换,（3）通过复杂透镜的变换ABCD公式,复杂光学系统,q1,q2,变换规律：,57,（3）通过复杂透镜的变换ABCD公式,58,1.4.4高斯光束的聚焦,聚焦：把光的能量聚集起来（激光打孔、光盘信息刻录等）通常是将激光束腰变得更小。,59,焦点位置的确定,出射光束束腰与透镜的距离：,当时，,结论：采用短焦距透镜有利于聚焦。,60,聚焦点尺寸,结论：透镜焦距越短，入射高斯光束腰斑越粗，聚焦效果越好。,61,激光聚焦系统设计实例1水平光路,62,激光聚焦系统设计实例2折叠光路,63,1.4.5高斯光束的准直,准直：使得方向性更好，发散角更小全息照像、激光测距等）。准直与聚焦是相反的过程。,采用倒置望远镜准直的系统：,64,入射发散角,出射发散角,准直效果的评价,发散角的压缩比：,望远镜的压缩比,65,Theend!,66,1.5激光稳频技术,67,表示频率变化的物理量,1）频率稳定度：频率的稳定程度。,2）频率再现性：同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性。,不同时间、不同地点、不同条件下频率的变化量,68,1.5.1频率变化的原因,激光谐振频率的公式为：,引起频率变化的主要原因是腔长L和折射率n的变化。,（一）腔长L的变化,1.温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架。,2.机械振动：采取减震措施。,（二）折射率的变化,温度T、气压P、湿度h的变化会引起折射率变化。,因此对非内腔激光器来说，应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动。,69,1.5.2稳定频率的方法,稳频的本质：控制谐振腔光学长度（nL）的稳定性。稳频方法概述(一)被动式稳频主要是利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。(二)主动稳频采用自动补偿办法进行稳频目前采用的稳频方法基本原理是大体相同的，即是把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，这样的系统常称做伺服系统。,70,主动稳频,兰姆凹陷法饱和吸收法赛曼效应法,71,兰姆凹陷法,兰姆凹陷：由于增益介质的增益饱和，在激光器输出功率P和频率曲线上，中心频率v0处的输出功率出现凹陷的现象。稳频原理：在中心频率0附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。因此，可以通过对输出光强的监测，设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统来控制腔长的稳定性。,以激光器内原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到原子跃迁的中心频率上。,72,兰姆凹陷稳频,压电陶瓷,正电压：缩短负电压：伸长,当0时，输出信号变化频率是调制信号的2倍，相敏检波器不工作，输出为0；,当A时，输出信号与调制信号同频、反相，相敏检波器输出为负，压电陶瓷伸长，腔长变短，激光器频率增加；,当B时，输出信号与调制信号同频、同相，相敏检波器输出为正，压电陶瓷缩短，腔长变长，激光器频率减小。,73,兰姆凹陷稳频,压电陶瓷,正电压：缩短负电压：伸长,稳频过程的实质：以原子谱线中心频率0为参考频率，当激光振荡频率偏离0时，即输出一误差信号，通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一个直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。,74,饱和吸收稳频,这种装置在激光谐振腔中除了激光管外，还加了一个吸收管。在吸收管内充以特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强的吸收线，且吸收管内所充气体的气压很低。,这是一种利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法。,75,饱和吸收稳频,吸收很低,增益很高,稳频的参考点,76,饱和吸收稳频,77,赛曼效应稳频,赛曼效应：原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。,能级分裂,谱线分裂,分裂前的谱线,分裂后的谱线,78,赛曼效应稳频,稳频过程：首先利用分裂后两偏振光的偏振状态不同，对两偏振光进行分离。然后，通过探测两偏振光光强的差别来判断频率偏离的方向和大小。最后通过伺服系统控制腔长的变化实现稳频。,79,Theend.,80,1.6激光调制技术,81,激光是一种频率更高（10131015Hz)的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。,1.调制的基本概念,由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。,这种将信息加载于激光的过程称之为调制。,完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。,解调：调制的反过程，即把调制信号还原成原来的信息。,82,根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制。,内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。,2.调制的分类：,（注入式半导体激光器是一种典型的内调制器件，是用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出的激光强度受到调制，也称直接调制)。,外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。,激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调制等。,按调制器的工作原理，可分为电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制（电源调制）和干涉调制。,83,强度调制,强度调制前：,强度调制,强度调制后：,强度调制系数,84,1.6.2电光调制,原理：电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。,晶体施加电压后，会出现感应双折射和坐标旋转，沿x方向入射的线偏振光会分解为沿x和y两个方向同频率、同振幅的线偏振光。,85,1.6.2电光调制,通过长度l后两束光的相位差为：,半波电压：位相差所对应的电压叫做半波电压，是表征材料光电性能的一个重要参数。,86,电光强度调制器,经过晶体和四分之一波片产生的总位相差为：,87,电光强度调制器,总的光强透过率:,调制信号,光强透过率,静态工作点会决定输出信号波形。,88,电光相位调制器,外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位。,89,1.6.3声光调制器,原理：声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,90,声光调制的两种类型,按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光互作用可以分为拉曼纳斯(RamanNath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种类型。,1.当超声波频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声场传播方向)，声光互作用长度L较短时，产生拉曼纳斯衍射。,特点：各级衍射光对称分布在中央零级的两侧；光的利用率不高。,91,声光调制的两种类型,2.布拉格衍射：当超声波频率较高，光波不平行于声波面入射(即斜入射)，声光互作用长度L较长时，产生布拉格衍射。,特点：只出现0级和+l级(或-1级)(由入射光的方向而定)衍射光；光能利用率高。,92,声光调制器,组成：由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源四个部分所组成。,93,声光调制器,(1)声光介质：声光介质是声光互作用的场所。(2)电声换能器(又称超声发生器)：将电能转化为超声波。(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。(4)驱动电源：它用以产生调制电信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。,各个部分的功能：,94,1.6.4磁光调制器,磁光效应：是磁光调制的物理基础。当光波通过被磁化的物体(磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与沿光束方向的磁场强度H和光在介质中的传播长度L之积成正比，即：VHLV称为韦尔代(verdet)常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向的旋转角度。,95,1.6.4磁光调制器,96,1.6.5电源调制（直接调制）,直接调制：是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD或半导体二极管LED)，从而获得已调制信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。,97,1.6.6干涉调制,定义：利用Michelson干涉原理将调制信号施加在压电陶瓷上，使动镜产生规律性运动的调制方式。,注意：此装置也可以用来测量微小位移或形变。,98,Theend.,1.7半导体激光器,概述,优点：体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。可用高达Ghz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及光雷达等方而已经获得了广泛的应用。,半导体激光器发展历程,自1962年问世，经历近50年的发展，就器件结构而言，由早期的同质结，到单异质结、双异质结、量子阱、应变量子阱，再到量子线、量子点、量子级联激光器，阈值电流由105A/cm2下降到现在的102A/cm2量级，器件的可靠性由几分钟增加到百万小时连续工作，波长从中红外到近紫外，输出功率从几毫瓦到几十千瓦水平，上述种种可见，半导体激光器得到了惊人的发展。,1.7.1半导体激光器的发光原理,1.半导体的能带结构：价带（满带）与导带之间是禁带，但是禁带很窄（Eg约0.12eV)。,禁带,空穴,电子,半导体中的光增益,利用半导体材料里导带电子与价带