激光原理以及技术基础

1、关于激光的原理及技术基础第一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月第一章 激光原理及技术基础1.1 激光的特点1.2 激光的产生1.3 激光器的基本组成1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件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第二张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月光的波粒二象性波动性：传播过程具有频率、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运动质量光波是电磁波振动的电场；振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量l第三张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月光的波粒二象性光波是横波，有偏振方向，激光本质

2、上讲是偏振光-偏振方向有时随时间变化(2)自然光z传播方向Ex(1)线偏振光ExyEy第四张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中 各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 第五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月折射率始终大于1？自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率近似等于1； 负折射率材料：当介电常数0，磁导率0时，折射率n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）第六张，PPT共一百零二页，创作

3、于2022年6月光 子在真空中一个光子的能量 光子的动量式中h是普朗克常数，h=6.6310-34Js。 光子的具有运动质量光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。第七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月1.1 激光的特点Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，通过受激发射的放大光。Laser翻译成激光由1964年钱学森指定。高方向性（高定向性）、高单色性、高亮度性辐射度高亮度；统计物理高光子简并度；电磁波谱极强的紫外、可见光或红外相干辐射，具有波长可调

4、谐。定向聚光反射镜的探照灯： 发射孔径1m，平面发散角10rad，传输至1km外，光斑直径扩至10m；单模激光器： 经发射望远镜的光束孔径为1m，平面发散角10-6rad,传输至1000km，光斑直径扩至几米。第八张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月1.1 激光的特点高方向性和空间相干性方向性：束径和束散角的概念 单模束径指最大能量密度Pmax的1/e2输出点的光束直径d 。 多模束径指最大能量密度1/2处最大直径d。第九张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月束散角 (弧度rad) ： 令出口附近的束径为d1，传输一段距离后的束径为d2时，定义束散角为： 近似情况下，激光器输出的

5、平面发散角等于光束的衍射角 衍光束的立体发散角：第十张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月衍射极限：衍射极限是指一个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。这个限制是物理光学的限制，是光的衍射造成的。光源障碍物接收屏第十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月空间相干性（不同空间位置的光源之间的相干状态） 空间相干性指同一时刻空间两点光波场的相干性。由杨氏双缝干涉

6、实验来定性解释。 空间相干性又称横向相干性，由横向相干长度D相干来表征：D相干的物理含义为激光束平面上距离为范围内的各个点之间是相干的，即满足相干系的光波场振动是相干的。其中，为光波长，为平面发散角第十二张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月相干截面S相干的定义 其物理含义：在整个光束截面内的任意两点间具有完全确定相位关系的光场振动完全相干。第十三张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月发散角的测量：打靶法套孔法圆环法 等等图1.1 打靶法测量发散角示意图第十四张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月物理意义：在小于和等于此值的空间延时范围内，被延时的光波和后续光波应当是完全相干

7、的。单色性和时间相干性（不同时间发射光束的相干态）通常以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光相干时间，单色性量度用 或 表征。激光相干时间相干和谱线宽度关系：纵向相干长度L相干：第十五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月普通光源：氪同位素86（Kr86）灯，中心波长为 ； 谱线宽度： 单色性程度：进行精密干涉测量时，最大量程不超过1m，测量误差为1微米。激光光源：单模稳频He-Ne激光，中心波长：谱线宽度：单色性程度：进行精密干涉测量时，最大量程扩展到1000km，测量误差小于 。第十六张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月激光光束三大特点的物理基础单色亮度值B B定义：单位

8、截面、单位频带、单位立体角内的辐射光功率， 单位:瓦/平方厘米球面度 赫兹。三. 高亮度和光子简并度太阳辐射：气体激光器：固体激光器：大功率激光器：第十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月 在物理学中，简并是指被当作同一较粗糙物理状态的两个或多个不同的较精细物理状态。例如在量子力学中，原子中的电子，由其能量确定的同一能级状态，可以有两种不同自旋量子数的状态，该能级状态是两种不同的自旋状态的简并态。 具有相同能量的粒子可以处在不同的量子态（即不同的波函数），即每一个能级上可能有若干个不同的量子状态存在，反映在光谱上就是代表某一能级的谱线常常由好几条非常接近的精细谱线所组成。 量子力学中

9、把能级可能有的微观状态称为该能级的简并度，用符号g表示。简并度亦被称为退化度或统计权重。 简并度：第十八张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月 光子属于玻色子，大量光子集合遵从玻色-爱因斯坦统计规律，处于同态的光子数不受限制（具有相同能量、动量、偏振）。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。这种处于同一光子态的平均光子数成为光子简并度。显然，光子简并度具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。 光子简并度：第十九张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月光子简并度 光子简并度指的是指有多少个性质完

10、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（或模式）之内，即处于同一光子态的光子数称为光子数。处于同一相格中的光子数，决定了相干光强，反映光源的单色亮度。处于同一模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一光子态的光子数。第二十张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月比较单色光亮度值可得：或单色定向亮度与光子简并度同时综合的表示了光源辐射的定向性、单色性和功率密度的重要参量。光子简并度具有更本质、更直接的物理量。第二十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月补充：基本粒子：构成实物的费米子（轻子和重子）和传递相互作用力的玻色子（光子、介子、胶子、W玻色子和Z玻色子）

11、费米子（fermion）是依随费米（意大利物理学家）-狄拉克统计，角动量的自旋量子数为半奇数的整数倍的粒子，遵从泡利不相容原理。玻色子(boson):得名于印度物理学家玻色，是指自旋为整数的粒子，不遵从泡利不相容原理，在低温时，可以发生玻色-爱因斯坦凝聚，符合玻色-爱因斯坦统计，包括胶子强相互作用的媒介粒子，自旋为1，8种、光子电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，1种、W玻色子和Z玻色子弱相互作用的媒介粒子、还有理论预测，但还没有探测到的引力子。第二十二张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月1.2 激光的产生粒子数反转条件三能级系统原子能级四能级系统第二十三张，PPT共一百零二页，创作于2

12、022年6月原子的能级物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。+e-e-e原子核电子角动量L=rp第二十四张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月主量子数n，n1，2，3，大体上决定原子中电子的能量值不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数l （电子轨道量子数）, l=0,1,2,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用s, p, d, f字母表示;磁量子数m=0，1，2， l. 决定轨道角动量在外磁场方向的分量;自旋量子数s= 1/2，代表

13、电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;原子的能级原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：第二十五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月原子的能级电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态。原子内部的电子可以通过与外界交换能量从一种运动状态改变为另一种运动状态，对于每一种运动状态，原子具有确定的一个能级。 电子的能级，依次用E0，E1，E2， En表示； 基态：原子处于最低的能级状态； 激发态：能量高于基态的其它能级状态；E0基态E1E2En激发态第二十六张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月简并能级、简并度简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；简并

14、度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。氢原子1s,2p态的简并度原子状态nlms简并度1s1001/222p2110-11/21/21/26sssPPd第二十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月原子的电子组态根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数n表示，称K、L、M层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,分别表示l=0,1,2,；壳层KLMNn1234子壳层1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4fl00 10 1 20 1 2 3容纳电子数22 6 2 6 10 2 6 10 14 第二十八张，PPT共一百零二页，创作于

15、2022年6月原子的电子组态泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数 ；电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。 电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数n和l的竞争； 只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。第二十九张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月辐射跃迁和非辐射跃迁高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。非辐射跃迁：原子在不同能

16、级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。发射吸收第三十张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月激光的产生受激原子通过辐射衰减一次发射一个光子泵浦机理（热激发或者气体放电等将一些原子抽运到激发态）第三十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月三能级系统热平衡：大部分原子都位于基态（高激发态的存在很重要）泵浦：利用抽运能级作为支点，将原子从基态转移至亚稳态能，实现粒子数反转第三十二张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月光放大：当一个光子进入系统第三十三张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月四能级系统泵浦抽运受激辐射第三十四张

17、，PPT共一百零二页，创作于2022年6月粒子数分布规律：波尔兹曼分布 现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度； ni表示单位体积中处在Ei能级上的原子数 分别处于E2和E1能级上的原子数n2和n1必然满足下一关系 热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数第三十五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月粒子数反转条件（集居数反转）热平衡：能级上粒子数密度满足泵浦破坏热平衡：高低能级粒子数满足第三十六张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月

18、1.3 激光器的基本组成基本结构激光器种类第三十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月激光器工作原理示意图激光器的基本结构第三十八张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月工作物质：激光器核心部分，实现粒子数反转和产生受激发射作用的 物质体系，它接受来自泵浦的能量，对外发射光波并保持 能够强烈发光的活跃状态，因此也称激活介质。 按物态分为固体、气体、液体三大类，自由电子激光器工 作物质进入更广阔的领域。泵浦源： 实现粒子数反转所需要的泵浦方式或泵浦装置，根据工作物 质特性和运转条件的不同，采用不同的方式或装置，提供泵 浦源可以是光能、电能、化学能及原子能。第三十九张，PPT共一百零二

19、页，创作于2022年6月光学谐振腔工作物质全反射镜部分反射镜谐振腔长度：谐振腔的作用：（1）将放大光中的一部分输出，即发射激光；（2）正反馈，维持光振荡，起到光放大作用；（3）使激光产生极好的方向性。（4）使激光的单色性好。第四十张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月腔镜类型 平面镜： 凹面镜： 凸面镜： 成像公式： 第四十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月激光器种类固体激光器（红宝石激光器，钕的钇铝石榴石，钛宝石）气体激光器（ HeNe激光器，二氧化碳激光器，氩离子激光器，准分子激光器）半导体激光器染料激光器化学激光器自由电子激光器第四十二张，PPT共一百零二页，创作于20

20、22年6月1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件光线在光腔内的行为光腔的稳定条件第四十三张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月1.光线在双凸腔内的行为 非稳定腔光线在光腔内的行为第四十四张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月稳定腔2.光线在共焦腔内的行为 光线在光腔内的行为第四十五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月注意：并非所有的共焦腔都是稳定腔！非稳定腔光线在光腔内的行为第四十六张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月 h值不断增大，光线将溢出腔外！ 稳定性有透镜曲率半径及腔长共同决定！光线在光腔内的行为第四十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月稳定性

21、判据其中，L为腔长，R1和R2分别为反射镜的曲率半径光腔的稳定条件第四十八张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月光腔 开放式共轴球面光学谐振腔的构成1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。 第四十九张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月2. 开放式: 除二镜外其余部分开放 共轴: 二镜共轴 球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)3.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:光腔 (光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外)(伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的几何光学损耗) (几何光学损耗介乎上二者之间)第五十张，PPT共一百零二页，创作于20

22、22年6月光腔稳定条件 1.描述光腔稳定性的J参量,定义: 其中 L - 腔长(二反射镜之间的距离) , L0 ; Ri - 第i面的反射镜曲率半径(i = 1,2);符号规则: 凹面向着腔内时(凹镜) Ri0 , 凸面向着腔内时(凸镜) Ri0。 L对于平面镜，成像公式为: s物距s象距f 透镜焦距第五十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月 (2)据稳定条件的数学形式, 稳定腔: 非稳腔: 或 临界腔: 或 J1 J2=0 2.光腔的稳定条件: (1)条件:使傍轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸 出腔外的条件, 即近轴光线几何光学损耗为零, 其 数学表达式为第五十二张，PPT

23、共一百零二页，创作于2022年6月常见的几类光腔的构成: *(以下介绍常见光腔并学习用作 图方法来表示各种谐振腔) 第五十三张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月(一）稳定腔: 1.双凹稳定腔: 由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹腔。这种腔稳定条件有两种情况。其一为：且证明：R1L 即：0J11 ，同理 0J21 所以：0J1J21其二为： R1L R2L 且 R1+R2L证明：R1L 即 J10第五十四张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月同理：J20 ，J1J20 ；又 LR1+R2即 J1J21 0 J1J21 如果 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳定条件可

24、以合并成一个，即： R1=R2=RL/2 第五十五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月2.平凹稳定腔: 由一个凹面发射镜和一个平面发射镜组成的谐振腔称为平凹腔。其稳定条件为：RL证明： R1L , ; R2, J2= 1第五十六张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月 3.凹凸稳定腔: 由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成的共轴球面腔为凹凸腔.它的稳定条件是: R10, R2L , 且 R1+R2L .或者:R2L ,可以证明: 0J1 J21. (方法同上)第五十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月(二).非稳腔 : J1 J21 或 J1 J201. 双凹非稳腔: 由

25、两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹非稳腔.这种腔的稳定条件有两种情况.其一为: R1L此时所以 J1 J20 第五十八张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月其二为: R1+R2L可以证明: J1 J21 (证明略)2.平凹非稳腔稳定条件: R1L , R2= 证明 : J2=1, J10 J1 J20 第五十九张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月3.凹凸非稳腔凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:其一是: R20, 0R1L可以证明: J1 J20 其二是: R20, R1+R2L可以证明: J1 J21 4.双凸非稳腔 由两个凸面反射镜组成的共轴球面腔称为双凸非稳腔. R10, R20

26、 J1 J21第六十张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月5.平凸非稳腔 由一个凸面反射镜与平面反射镜组成的共轴球面腔称为平凸腔。平凸腔都满足J1 J21 。第六十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月(三)临界腔: J1 J2 = 0 , J1 J2= 1 临界腔属于一种极限情况,其稳定性视不同的腔而不同.在谐振理论研究和实际应用中,临界腔具有非常重要的意义. 共焦腔焦点在腔内，它是双凹腔共焦腔焦点在腔外，它是凹凸腔第六十二张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月1.对称共焦腔腔中心是两镜公共焦点且： J1 = J2 = 0 J1 J2 = 0可以证明，在对称共焦腔内，任意

27、傍轴光线可往返多次而不横向逸出，而且经两次往返后即可自行闭合。这称为对称共焦腔中的简并光束。整个稳定球面腔的模式理论都可以建立在共焦腔振荡理论的基础上，因此，对称共焦腔是最重要和最具有代表性的一种稳定腔。R1= R2= R = L=2F F二镜焦距第六十三张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月2.半共焦腔由共焦腔的任一个凹面反射镜与放在公共 焦点处的平面镜组成 R = 2L J1 = 1 , J2 = 1/2 故 J1 J2 =1/21 （稳定腔）3.平行平面腔由两个平面反射镜组成的共轴谐振腔 R1=R2=，J1=J2=1， J1 J2=1第六十四张，PPT共一百零二页，创作于2022年

28、6月4.共心腔 两个球面反射镜的曲率中心重合的共轴球面腔 实共心腔双凹腔 J1 0 ，J2 0 虚共心腔凹凸腔 J1 0 ，J2 0 都有 R1+R2= L J1 J2 =1 （临界腔） 光线即有简并的，也有非简并的第六十五张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月二.稳定图: 稳定条件的图示 1.作用:用图直观地表示稳定条件,判断稳定状况 *(光腔的) 2.分区: 图上横轴坐标应为 ,纵轴坐标应为 稳定区: 由 (二直线) J1= 0、J2= 0 和 *(二支双曲线) J1J2 = 1 线所围区域(不含边界) *(图上白色的非阴影区) 临界区: 边界线 非稳区: 其余部份 *(阴影区)第六

29、十六张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月 *一球面腔(R1 ,R2 , L)相应的(J1 ,J2) 落在稳定区, 则为稳定腔 *一球面腔(R1 ,R2 , L)相应的(J1 ,J2)落在临界区(边界线), 则为临界腔 *一球面腔(R1 ,R2 , L)相应的(J1 ,J2)落在非稳区(阴影区), 则为非稳腔 第六十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月3.利用稳定条件可将球面腔分类如下: 双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，对应图中l、2、3和4区. (0J11 ，0J21 ; J10, J20)平凹稳定腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中AC、AD段（0J11 ,J2=1;

30、0J21,J21,J11)共焦腔，R1R2L，因而，J1=0，J2=0，对应图中的坐标原点。 半共焦腔，由一个平面镜和一个R=2L的凹面镜组成的腔,对应图中E和F点J1=1，J2=1/2 (1) 稳定腔 (0J1 J2 时腔内光子数增加。（1.29）（1.30）第八十七张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月三 激光振荡阈值条件光子在谐振腔内所获得增益只有大于或等于腔内总损耗系数，激光才才能形成振荡。激光振荡的阈值条件为：（1.35）第八十八张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月四 谐振腔的品质因子与谱线宽度关系1.谐振腔的品质因子Q 基本定义:（1.36）腔内振荡的谐振频率储存在腔

31、内的能量单位时间内损耗的能量第八十九张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月四 谐振腔的品质因子与谱线宽度关系1.谐振腔的品质因子Q 则：任意时刻的光子数密度腔内振荡光束体积光通过谐振腔单位距离的损耗率一个光子能量则：第九十张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月四 谐振腔的品质因子与谱线宽度关系1.谐振腔的品质因子Q由光谱线的自然加宽v和光子寿命R关系，得 因此，Q值越高， v线宽越窄即单色性越好。（1.43）第九十一张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月?2.单模激光的线宽极限自发辐射过程第九十二张，PPT共一百零二页，创作于2022年6月小结：本章重点激光三大特点？发散角的求法及测量？单色性的量度？激光产生的基本原理？激光器三大部件？振荡模式？纵模及纵模间隔？横模？光腔的损耗与