第一章激光器的基本概念2

1、中国科学院大学物理学院中国科学院大学物理学院参考书参考书: 2. 激光物理基础激光物理基础哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 王雨三，张中华王雨三，张中华 主编主编3. 激光物理激光物理北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社 卢亚雄，余学才，张晓霞编著卢亚雄，余学才，张晓霞编著5.Laser Theory Hermann Haken, Springer-Verlag, 1984 4.Principles of Lasers Orazio Svelto, Springer1.高等激光物理学高等激光物理学高等教育出版社高等教育出版社 李福利李福利 编著编著主要内容主要内容: 激光器的基本概念、

2、速率方程激光器的基本概念、速率方程 理论理论,半经典理论和全量子理论半经典理论和全量子理论课程要求课程要求: 30%平时平时+70%笔试笔试联系方式联系方式: 激光器激光器:利用受激辐射实现光的放大利用受激辐射实现光的放大Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1917年年-爱因斯坦爱因斯坦-受激辐射发光过程的提出受激辐射发光过程的提出从理论上预言了产生激光的可能性，然而这从理论上预言了产生激光的可能性，然而这种可能性变为现实经历了几十年。种可能性变为现实经历了几十年。1954年年-汤斯汤斯等人实现了微波的受

3、激放大等人实现了微波的受激放大除了工作波长位于微波波段以外，工作原除了工作波长位于微波波段以外，工作原理已和激光非常接近。理已和激光非常接近。1958年年-肖洛和汤斯肖洛和汤斯提出将微波量子放大器的原理推广到光提出将微波量子放大器的原理推广到光波领域。波领域。戈登戈登等研究了包含两个球面镜的光谐振腔的工作模式，并等研究了包含两个球面镜的光谐振腔的工作模式，并证实了它具有稳定的准直性和较低的衍射损耗，还推导出证实了它具有稳定的准直性和较低的衍射损耗，还推导出高斯场模横向分布的最低阶横模高斯场模横向分布的最低阶横模TEM00。1960年年 梅曼梅曼在休斯实验室成功地制造出红宝石激光器在休斯实验室成

4、功地制造出红宝石激光器此后，激光高速发展，各种气体、固体、染料和半导此后，激光高速发展，各种气体、固体、染料和半导体激光器相继出现，许多相关技术开发出来，激光器在体激光器相继出现，许多相关技术开发出来，激光器在各个领域内广泛应用。各个领域内广泛应用。1961年年 中国科学院长春光机所在中国科学院长春光机所在王大王大珩珩领导下，用国产红宝石制造出领导下，用国产红宝石制造出中国第中国第一台红宝石激光器一台红宝石激光器。1961年年R. W. Hellwarth发明发明Q开关技术开关技术。1962年年L. E. Hargrave研究成功研究成功锁模技术锁模技术。1964年年N. G. Basov和中

5、国科学院王淦昌和中国科学院王淦昌独立提出利用独立提出利用激光进行核聚变激光进行核聚变的初步物理的初步物理模型。模型。1964年年 美国的理论物理学家美国的理论物理学家兰姆兰姆提出了提出了气体激光的半经典气体激光的半经典理论理论，成功地解释了在气体激光的功率曲线中心出现的凹陷，成功地解释了在气体激光的功率曲线中心出现的凹陷（兰姆凹陷兰姆凹陷），为气体激光的饱和吸收稳频奠定了理论基础。），为气体激光的饱和吸收稳频奠定了理论基础。1966年年 高锟高锟在英国标准电信实验室建立在英国标准电信实验室建立光光纤通信纤通信的物理模型。研究成果成为光通信和的物理模型。研究成果成为光通信和激光光电子学的重大里程

6、碑。激光光电子学的重大里程碑。1981年年A.Schawlow和和N.Bloembergen荣获荣获1981年诺贝尔物理学奖，表年诺贝尔物理学奖，表彰他们在彰他们在激光光谱学激光光谱学方方面的开创性贡献。面的开创性贡献。1997年年 朱棣文，朱棣文，C.Cohen-Tannoudji和和W.Phillips获得诺贝尔获得诺贝尔物理学奖，表彰他们在物理学奖，表彰他们在激光捕获和冷却原子激光捕获和冷却原子领域的开创性研究领域的开创性研究成果。成果。1999年年 A. Zewail获得诺贝尔化学奖，表彰获得诺贝尔化学奖，表彰他在他在飞秒化学飞秒化学领域所做出的卓越贡献。领域所做出的卓越贡献。2005

7、年年 J.L.Hall和和T.Hansch荣获荣获诺贝尔物理学奖，表彰他们在诺贝尔物理学奖，表彰他们在精密精密激光光谱激光光谱分析所做出的贡献，以及分析所做出的贡献，以及发明发明飞秒飞秒“光学频率梳技术光学频率梳技术”，使，使光学频率测量获得重大进展。光学频率测量获得重大进展。2005年的诺贝尔物理学奖同时颁发给年的诺贝尔物理学奖同时颁发给R.J.Glauber，以表彰，以表彰他对他对量子光学量子光学的贡献。的贡献。高锟高锟分享了分享了2009年的诺贝尔物理学奖，以表彰他在年的诺贝尔物理学奖，以表彰他在光纤通光纤通信信研究中做出的开创性贡献。研究中做出的开创性贡献。22,EN11,E N21h

8、EE自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收21hEE21hEE光与物质相互作用光与物质相互作用自发辐射自发辐射21212dNA N dtA21自发辐射系数自发辐射系数受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收12121dNB Ndt21212dNB NdtB21受激辐射系数受激辐射系数B12受激吸收系数受激吸收系数22,EN11,E N21hEE21hEE21hEE单位体积，单位体积，dt时间内，时间内，自发辐射的粒子数自发辐射的粒子数单位体积，单位体积，dt时间内，时间内，受激辐射的粒子数受激辐射的粒子数单位体积，单位体积，dt时间内，时间内，受激吸收的粒子数受激吸收的粒子数A21, B21

9、与与B12统称为爱因斯坦系数统称为爱因斯坦系数光能密度爱因斯坦系数的关系爱因斯坦系数的关系 (A21, B21与与B12)T考虑一个达到热平衡的空腔系统考虑一个达到热平衡的空腔系统组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等空腔中的辐射场将有一个稳定的分布空腔中的辐射场将有一个稳定的分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布33/811hv kThvce普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式:空腔中频率为空腔中频率为的光能密度的光能密度3213218AhvBc121212B gB g组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数

10、相等21dN21dN12dN212A N dt212B Ndt121B Ndt21/1212121211hv kTAB gBeB g211212121211ABNBBN/2211hv kTNgeNg各能级粒子数符合玻尔兹曼分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布激光的产生受激辐射强于受激吸收受激辐射强于自发辐射自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收22,EN11,E N21hEE21hEE21hEE21212dNA N dt12121dNB Ndt21212dNB Ndt粒子数反转粒子数反转受激辐射强于受激吸收受激辐射强于受激吸收受激辐射强于自发辐射受激辐射强于自发辐射21221212211

11、2121121121B NdtdNB NN gdNB NdtB NN g2211gNNg32122121321212218B NdtBdNcdNA N dtAhv（谐振腔）（谐振腔）增大增大激光是远离热平衡的系统激光是远离热平衡的系统工作物质工作物质激励装置激励装置激光输出激光输出反射镜反射镜反射镜反射镜激光器的分类：运转方式：连续激光器和脉冲激光器工作物质：固体激光器，气体激光器，半导体激光器激励方式：光激励，放电激励激光的特性激光的特性: 高亮度高亮度, 单色性单色性, 方向性，方向性， 和相干性和相干性激光科学技术发展迅速激光科学技术发展迅速,涉及多个学科涉及多个学科,如光谱学如光谱学,

12、 材料学材料学,医学等等医学等等.激光的广阔应用激光的广阔应用: 激光在加工激光在加工,测距测距,光通讯和核聚变光通讯和核聚变 等方面都有重要的应用等方面都有重要的应用.纵模纵模/2qqcL12qqqcL2qqL驻波驻波腔长腔长L沿轴线方向（即纵向）形成的驻波场即为激光的纵模。沿轴线方向（即纵向）形成的驻波场即为激光的纵模。纵模频率纵模频率相邻纵模频率间隔相邻纵模频率间隔 横模横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向面内存在稳：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向面内存在稳定的场分布，通常称为横模。定的场分布，通常称为横模。 激光的激光的横模横模，实际上就是谐振腔所允许的（也就是在腔内，实际上就

13、是谐振腔所允许的（也就是在腔内来回反射，能保持稳定不变的）光场的各种横向分布。来回反射，能保持稳定不变的）光场的各种横向分布。光的放大增益光的放大增益光能密度光能密度 nh2121()dnNNBdtdzcdt/ 2GGIc光强光强 单位时间单位体积内产生的光子数增加为：单位时间单位体积内产生的光子数增加为：212111()zdIGNNB hI dzc 光强放大的增益：光强放大的增益：光场的增益：光场的增益：1zdIGI dz 非均匀加宽非均匀加宽 均匀加宽均匀加宽 2201( )2()(/ 2)Lg 202 ln 2( )exp () 4ln 2GDDg两种典型的线型两种典型的线型洛伦兹线型洛

14、伦兹线型 高斯线型高斯线型D均匀加宽的谱线宽度均匀加宽的谱线宽度 多普勒线宽多普勒线宽 考虑谱线线型考虑谱线线型() 221212()( )8zcGNNA g vv 2121vdINNhv Bg v dvdz( )g归一化的谱线线型函数归一化的谱线线型函数单色光单色光3213218AhvBc2121()dINNB hdz221224zscGNNvvt 22122ln24zD scGNNvv t vvg2)(01/202 ln2()Dg vv对中心频率，有对中心频率，有洛伦兹线型洛伦兹线型 高斯线型高斯线型21(1/)stA洛伦兹线型洛伦兹线型 高斯线型高斯线型21DNN21()()dndncc

15、 NN nWDndtdz21()dnn NNdz221212/()( )8zcGNNA g vv21()dII NNdz受激辐射截面受激辐射截面光子数随时间的变化光子数随时间的变化3212( )8cWcA g vv受激辐射速率受激辐射速率反转粒子数反转粒子数1zdIGI dz 腔的损耗、腔的损耗、Q值、寿命值、寿命 12RRR举例：若二反射镜的反射率为举例：若二反射镜的反射率为 单程时间为单程时间为 /L c(1)/tcRL 平均单位时间内的光强损耗平均单位时间内的光强损耗 tdnndt 光子数随时间的变化光子数随时间的变化/00tctt tnn en e其中其中1/ctt称为腔的寿命称为腔的

16、寿命 1/ (1)cttL cR谐振腔的谐振腔的 Q值为值为 /ctQt （品质因数）（品质因数） 自激条件自激条件zG光强的增益为光强的增益为Ll 令工作物质长度等于腔长，即令工作物质长度等于腔长，即1R2R反射镜反射镜1M2M的反射率为的反射率为i是腔内的损耗是腔内的损耗 10exp() ziIIGL1M2M220exp2() ziIR IGL3120exp2() ziIR R IGL为了实现振荡，要求为了实现振荡，要求 30II1200exp2()ziR R IGLI 即即自激条件：自激条件：1K21RRexp2() ziKGL其中其中激光器的临界条件：激光器的临界条件：12exp2()

17、 1ziR RGL 1211ln()2zizGLR R当当121RRR时时ln1RR(1)/zizGRL激光器的临界条件的意义是增益等于损耗激光器的临界条件的意义是增益等于损耗221224zscGNNvvt (1)/zizGRL2221241()()sccivvtRDNNcL临界条件临界条件均匀加宽线型中心频率对应的增益均匀加宽线型中心频率对应的增益临界反转粒子数临界反转粒子数6.激光器的模式选择选择横模选择横模减少反射镜的有效半径减少反射镜的有效半径腔内加光阑腔内加光阑倾斜腔镜倾斜腔镜 要从激光的许多模中选出一个来，就要求所选定的那个要从激光的许多模中选出一个来，就要求所选定的那个模的损失尽

18、可能的低，而增加一切其它模的损失使之超过增模的损失尽可能的低，而增加一切其它模的损失使之超过增益以致不能达到阈值。益以致不能达到阈值。 高阶横模高阶横模有随着横模技术的增大而越来越少地沿着共振有随着横模技术的增大而越来越少地沿着共振腔轴集中的径向场分布。腔轴集中的径向场分布。选择纵模选择纵模缩短腔的长度缩短腔的长度12qqqcL相邻纵模频率间隔相邻纵模频率间隔减小腔长可以增大纵模间隔。减小腔长可以增大纵模间隔。组合干涉腔限制纵模组合干涉腔限制纵模1223()/()/. ,LLqLLmm q为整数 利用压电元件可使镜利用压电元件可使镜M3移动几个移动几个um，以实现谐，以实现谐振腔振腔M1-M2和选频腔和选频腔M2-M3的共振耦合，共振条件的共振耦合，共振条件是是脉冲尖峰结构脉冲尖峰结构7. 脉冲激光器脉冲激光器反转粒子数反转粒子数光子数光子数调调Q激光器基本原理激光器基本原理增益tQ开关损耗光强电光调电光调QIsT可饱和吸收染料可饱和吸收染料Q开关开关锁模激光器原理锁模激光器原理当振荡的激光器包含了许多纵模，且纵模间无固定的相当振荡的激光器包含了许多纵模，且纵模间无固定的相位关联。位关联。锁模激光器原理锁模激光器原理1ll不同纵模间相位锁定不同纵模间相位锁定主动锁模激光器示意图主动锁模激光器示意图全反镜全反镜调制器调制器工