《激光简介》课件

1、1 19.7 激光简介激光简介 激光：激光：受激辐射放大的光受激辐射放大的光 激光的优越性：激光的优越性：高单色性，高相干性，高亮度，高定向性高单色性，高相干性，高亮度，高定向性 自自 发发 辐辐 射射 212 21 ) d d (AN t N 自发 受受 激激 吸吸 收收 BB 自自 发发 辐辐 射射 系系 数数 受受 激激 吸吸 收收 系系 数数 E2 E1 IBkN t N 2 21 ) d d ( 受激 BIkN t N 1 12 ) d d ( 吸收 全同全同无关无关 光波的频率光波的频率 相位偏振态相位偏振态 受激受激 辐射辐射 自发自发 辐射辐射 受受 激激 辐辐 射射 E2 E

2、1 E2 E1 受受 激激 辐辐 射射 系系 数数 一般情况下一般情况下 2 一一. .激光的特点及应用激光的特点及应用 1. 高定向性高定向性 激光是一定向光束，几乎不发散地笔直前进，这是由其激光是一定向光束，几乎不发散地笔直前进，这是由其 发光原理和激光器中谐振腔方向选择作用而定的发光原理和激光器中谐振腔方向选择作用而定的。 探照灯探照灯 激光激光 10km 光斑光斑 d=几十米几十米 光斑光斑 d=几个厘米几个厘米 应用：应用：定位、导向、测距定位、导向、测距 测距测距9000km，偏差，偏差 35cm （China） 2. 高单色性高单色性 普通光源：单色性最好的氪灯普通光源：单色性最

3、好的氪灯（Kr） 3 4.7n0m1 HeNe激光器（红光激光器（红光 ）：）： 9 10nm 632nm.8 应用：应用：频率稳定，可做国际单位计量标准。频率稳定，可做国际单位计量标准。 光频计时器，一年的时间，计时误差光频计时器，一年的时间，计时误差辐射，则光强下降，称辐射，则光强下降，称光吸收光吸收 若吸收若吸收辐射，则光强上升，称辐射，则光强上升，称光放大光放大 在两个相同的能级之间，这两个过程同时存在，其发在两个相同的能级之间，这两个过程同时存在，其发 生的几率与两个能级上的生的几率与两个能级上的粒子数粒子数有关；若粒子数相同，向有关；若粒子数相同，向 上和向下跃迁的几率一样。上和向

4、下跃迁的几率一样。 要想使受激辐射占优势，处于高能级要想使受激辐射占优势，处于高能级E2上的粒子数上的粒子数N2 必须大于处于低能级必须大于处于低能级E1上的粒子数上的粒子数N1。 6 2. 产生激光的必要条件产生激光的必要条件 在正常热平衡状态下，在室温时，粒子按能级的分布在正常热平衡状态下，在室温时，粒子按能级的分布 规律遵从玻尔兹曼分布率：规律遵从玻尔兹曼分布率： 2 21 1 () 2 1 e e e E kTEE kT E kT N N 2121 EENN 而要得到光放大，必须：而要得到光放大，必须： 12 NN 粒子数反转粒子数反转 如何实现粒子数反转？如何实现粒子数反转？ 选取特

5、殊物质，它有合适的能级结构。选取特殊物质，它有合适的能级结构。 下面以下面以HeNe激光器为例说明激光器为例说明（P468） 7 三三. .HeNe激光器激光器 高压高压 直流电源直流电源 在抽成真空的玻璃管中充入在抽成真空的玻璃管中充入He Ne混合气体，比例混合气体，比例 约为：约为：4:110:1 管两端装有反射镜，加上几千伏的高压，产生气体放电管两端装有反射镜，加上几千伏的高压，产生气体放电 He传递能量传递能量 Ne产生受激辐射而发出激光产生受激辐射而发出激光 8 1. 如何实现粒子数反转如何实现粒子数反转 HeNe E1E1 放电激励放电激励 e 碰撞转移碰撞转移 电子碰撞激发电子

6、碰撞激发 1 2 1 2 1/ 2/ He原子中，二个亚稳态原子中，二个亚稳态 1 2（10-8 s） Ne原子中，有和原子中，有和He能级接近的二个亚稳态能级接近的二个亚稳态 1 2（10-8 s） 还有二个寿命更长的亚稳态还有二个寿命更长的亚稳态 1/ 2/ （10-3 s） 对于对于Ne原子：能级原子：能级2和和2/ ， 1和和1/ ， 2和和1/之间都实之间都实 现了粒子数反转现了粒子数反转 9 在实际问题中，影响激光谱线宽度的因素很多，主要有：在实际问题中，影响激光谱线宽度的因素很多，主要有： （1 1）自然宽度）自然宽度 E 0 0 E能级本身有一定宽度 EhEh （2 2）碰撞展

7、宽）碰撞展宽 由于原子间的碰撞加速了原子从高向低能级的跃迁，由于原子间的碰撞加速了原子从高向低能级的跃迁， 缩短了在受激态上的寿命缩短了在受激态上的寿命 E减小增大增大 （3 3）多普勒展宽）多普勒展宽 10 2. 谐振腔谐振腔 激励能源激励能源 增益介质增益介质 谐振腔谐振腔 全反全反 射镜射镜 部分部分 反射镜反射镜 (99) （1）维持光振荡）维持光振荡 光在工作物质光在工作物质 中来回一次产生的中来回一次产生的 增益（光放大）一增益（光放大）一 定要补偿它在这来定要补偿它在这来 回一次中光的损耗，回一次中光的损耗， 这是产生激光的另这是产生激光的另 一个必须满足的条件一个必须满足的条件

8、 阈值条件阈值条件 作用：作用： （2）使激光有极好的方向性）使激光有极好的方向性 增益介质增益介质 11 （3）使激光有极好的单色性（选频作用）使激光有极好的单色性（选频作用） (a) (a) 选择腔的长度，使选择腔的长度，使 22 c Lkk nLn 光来回传播时，光来回传播时， 形成以反射镜为节点形成以反射镜为节点 的驻波，满足的驻波，满足 的光都可以产生稳定的的光都可以产生稳定的 振荡。振荡。 但是但是，只有在自然，只有在自然 宽度内的频率才能得到宽度内的频率才能得到 振荡放大。振荡放大。 这就是谐振腔的这就是谐振腔的 选频作用。选频作用。 自然宽度自然宽度 1,3) 2 (,2k c

9、 k Ln 12 (b) (b) 选择反射镜上镀膜的厚度选择反射镜上镀膜的厚度 nd 2 2 dnk 反射光干涉加强 1 4 kd n 取 可以使所需波长的光得到最大限度的加强可以使所需波长的光得到最大限度的加强 13 光在谐振腔内来回反射，相光在谐振腔内来回反射，相 干叠加，只有形成驻波的光干叠加，只有形成驻波的光 才能振荡才能振荡 2 k kL nL c k c k k 2 nL c kkk 2 1 k N 振荡纵模振荡纵模 纵模间隔纵模间隔 纵模个数纵模个数 19.9 激光的激光的纵模和横模纵模和横模 vkvk+1 vk N N 个纵模个纵模 单模线宽单模线宽 辐射线宽辐射线宽 vc 一

10、一. 纵模纵模（振荡频率）（振荡频率） k = 1, 2, 3, 14 辐射线宽辐射线宽 (1)(1)使激光按单模输出，则使激光按单模输出，则其其单色性由单色性由单模线宽单模线宽决定。决定。 讨论讨论 (2)(2)若输出光是多模的，其单色性若输出光是多模的，其单色性 和普通光源一样由和普通光源一样由辐射线宽辐射线宽决决 定。定。 条件条件频率频率(MHz) T=300K P=12mmHg 辐射线宽辐射线宽 1300 腔长腔长 L=100cm 纵模间隔纵模间隔 150 L=100cm 反射率反射率 98% 单模线宽单模线宽 1 氦氦 氖氖 激激 光光 器器 参参 数数 N N 个纵模个纵模 vc

11、 15 二二. 横模横模 (光束横截面上的光强的稳定分布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激光束横截面上几种光斑图形 作业三作业三. .P39 16 1. 按照原子的量子理论，原子可以通过按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射自发辐射和和受激辐射受激辐射 两种辐射方式发光，而激光是由两种辐射方式发光，而激光是由受激受激辐射方式发光的。辐射方式发光的。 2. 光和物质相互作用产生受激辐射，辐射光和照明光具有完光和物质相互作用产生受激辐射，辐射光和照明光具有完 全相同的特性，这些特性指的是全相同的特性，这些特性指的是同频率、同相位、同偏振态、同频率、同相位、同偏振态、 同方向传播同方向传播。 3. 自发辐射和受激辐射的区别：自发辐射和受激辐射的区别： 自发辐射：无外界影响，处于高能级的粒子自发地向低自发辐射：无外界影响，处于高能级的粒子自发地向低 能级跃迁发出的光，是非相干光；能级跃迁发出的光，是非相干光； 受激辐射：在入射光子影响下，处于高能级的粒子向低受激辐射：在入射光子影响下，处于高能级的粒子向低 能级跃迁发出和入射光子完全相同的光子，是相干光。能级跃迁发出和入射光子完全相同的光子，是相干光。 4. 产生激光的必要条件是产生激光的必要条件是粒子数反转粒子数反转，激光的四个主要特征，激光的四