激光基本原理-激光原理-课件

1、第一章 激光基本原理1 光源的相干性一、时间相干性相干时间 空间某点处两个不同时刻的光场有相干性的最大时间间隔，即波列持续时间2、大小：光源的谱线宽度(线宽)证E(t)=00tT1)m3、单位 u: Jsm-3, u:Jm-二、自发辐射跃迁1、定义发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1,并发射 一个频率为 的光子E2E12、跃迁几率(爱因斯坦系数)(1)定义dn21:dt时间内由E2跃迁到E1的粒子数密度n2:E2能级的粒子数密度(2)大小2:能级寿命(E2能级上的粒子数由初始值减至其1/e所用时间)(Spontaneous emission)(3)单位：s-1二、自发辐射跃迁1、定义发光粒

2、子从高能级E2自发跃迁到低能级激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件证n2(t)=n2(0)-n21(t)A212=1令 则证n2(t)=n2(0)-n21(t)A212=1令 三、受激辐射跃迁1、定义处于高能级E2的发光粒子在 光子诱发下,跃迁到低能级E1,并发射一个与诱

3、发光子同一光子态的光子E1E22、跃迁几率(1)定义(2)大小B21:爱因斯坦系数(m3J-1s-2或m3/Js2)(Stimulated emission)(3)单位：s-1三、受激辐射跃迁1、定义处于高能级E2的发光粒子在 激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本

4、原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件四、受激吸收跃迁1、定义处于低能级E1的发光粒子吸收了 光子后,跃迁到高能级E2E1E22、跃迁几率(1)定义(2)大小(Stimulated absorption)B12:爱因斯坦系数(m3J-1s-2或m3/Js

5、2)(3)单位：s-1四、受激吸收跃迁1、定义处于低能级E1的发光粒子吸收了 激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光

6、原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件激光基本原理-激光原理-课件五、爱因斯坦系数关系证(1)粒子数按能级分布(2)热平衡条件五、爱因斯坦系数关系证(1)粒子数按能级分布(2)热平衡条件(3)爱因斯坦系数关系为使任意温度下该式成立(3)爱因斯坦系数关系为使任意温度下该式成立例1 分别求氢原子在300K、30000K温度下,处于基态与第一激发态的粒子数之比.氢原子能级计算公式为En=E1/n2, 其中n为主量子数,E1=-13.6ev为基态能级.解例1 分别

7、求氢原子在300K、30000K温例2 红宝石激光器中的发光粒子Cr+3的上能级寿命为2=3.310-3s,求自发辐射及受激辐射爱因斯坦系数A21和B21(=6943)解例2 红宝石激光器中的发光粒子Cr+3的上能级例3 CO2激光器工作温度为227,求谐振腔内辐射场的单色能量密度u和受激辐射跃迁几率W21 (B21=61020m3/Js2, =10.6m)解例3 CO2激光器工作温度为227,求谐振4 激光基本知识一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器(激光器) 2、激光放大器 二、产生与放大激光的条件 形成粒子数反转(上能级粒子数下能级粒子数)对输入的弱激光进行放大产生并输出激光4 激光

8、基本知识一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器2、泵浦源(光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转3、谐振腔(半反镜与全反镜)(1)维持激光振荡(2)改善激光质量如单色性、方向性(1)激活粒子(分子、原子、离子) 发光(2)基质 寄存激活粒子的材料1、激光工作物质三、激光器构造2、泵浦源(光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数四、激光器种类1、气体激光器(1)He-Ne 发光粒子为Ne原子, =6328(0.6328m,632.8nm)(2)CO2 发光粒子为CO2分子, =10.6m(106000,10600nm) 电源全反镜半反镜放电管2、固体激光器(1)红宝石 发

9、光粒子为 (铬离子),光波长0.6943 m电源全反镜半反镜激光晶体光泵(2) YAG 发光粒子为 (钕离子),光波长1.06m (1=10-10m, 1m=10-6m, 1nm=10-9m)四、激光器种类1、气体激光器(1)He-Ne 发光粒子为3、液体激光器4、半导体激光器五、能级系统1、三能级(红宝石)E1基态 (激光下能级)E2亚稳态 (激光上能级)E3非稳态W13S32A21W21W12W13:泵浦几率S32:非辐射跃迁几率GaAsP-GaAsn-GaAs激光(1)侧面发光(2)垂直腔面发光3、液体激光器4、半导体激光器五、能级系统1、三能级(红宝石2、四能级(He-Ne、YAG、C

10、O2)W14:泵浦几率S43、S21:非辐射跃迁几率E2非稳态 (激光下能级)E3亚稳态 (激光上能级)E4非稳态W14S43A32W32W23E1基态S21六、激光特性1、单色性好2、方向性好He-Ne激光器：R=10-12氪灯：R=10-5直径1mm的He-Ne激光器：发散角=10-4rad探照灯：发散角=0.5rad2、四能级(He-Ne、YAG、CO2)W14:泵浦几率S44、亮度高单位发光表面积在单位时间内沿给定方向上单位立体角内的发射能量大3、相干性好(1)时间相干性：单色性好(2)空间相干性：激光照射区域内任意两点的光场是相干的证lslcD=0.5m, D=1m, As=1mm2

11、例普通光源激光器4、亮度高单位发光表面积在单位时间内沿给定方向上单位立体角内5 谐振腔基本知识一、激光本征模式1、本征纵模存在於腔内的每一种驻波光场模序数q: 沿腔轴线的光场节点数2、本征横模存在於腔内的每一种横向光场分布模序数m、n: 沿坐标方向的光场节线或节圆数二、无源腔与有源腔1、无源腔 腔内激光工作物质未被激活2、有源腔 腔内激光工作物质已被激活5 谐振腔基本知识一、激光本征模式1、本征纵模存在於腔内1、平均单程损耗率(1)定义I0:初始光强, I1:往返一周后的光强(3)计算衍射损耗由于衍射作用反射镜不能覆盖衍射光而造成的损耗(2)分类选择性损耗 损耗大小与横模有关,如衍射损耗非选择

12、性损耗 损耗大小与横模无关,如输出损耗L:腔长, :光波长, a:反射镜半径三、无源腔损耗或证1、平均单程损耗率(1)定义I0:初始光强, I1:往返一周输出损耗证2a2(a+L)L设初始光强为I0则单程光强为由于反射镜透射光而造成的损耗r1、 r2:两反射镜的反射率T:半反镜的透射率(r1=1, T=1-r2 0.05)或输出损耗证2a2(a+L)L设初始光强为I0则单程光强证设初始光强为I0则往返一周光强为I1=I0r1r2若r1=1, r2=1-T当T0.05证光往返m次用时2、腔寿命(1)定义 腔内光强从初始值衰减到它的1/e所用时间(2)计算L:腔的光学长度, c:真空光速即往返m次

13、光强往返1次光强证设初始光强为I0则往返一周光强为I1=I0r1r2若r1=3、腔Q值(1)定义 (2)计算四、无源腔光强1、往返m次E: 储存在腔内的总能量P:单位时间损耗的能量:光频率证腔内能量与光强：t时刻腔内损耗功率: 光子数密度, V:腔体积，n:介质折射率2、t时刻3、腔Q值(1)定义 (2)计算四、无源腔光强1、往返m五、无源腔本征纵模线宽1、定义由于无源腔存在损耗,使本征纵模谱线展宽后的线宽2、计算证(1)场时函数E(t)tEE00e-t(2)场频函数E()五、无源腔本征纵模线宽1、定义由于无源腔存在损耗,使本征纵模(3)强频函数I()(4)线宽(3)强频函数I()(4)线宽六

14、、本征纵模频间相邻两个纵模的频率间隔2、计算证由驻波条件得本征纵模的频率为1、定义六、本征纵模频间相邻两个纵模的频率间隔2、计算证由驻波条件得七、谐振腔的菲涅耳数1、定义2、意义(1)平均单程衍射损耗率的倒数(2)从镜面中心看另一镜面所分割的菲涅耳半波带数证2aL:七、谐振腔的菲涅耳数1、定义2、意义(1)平均单程衍射损耗率(3)镜面中心处的衍射光在腔内的 最大往返次数证往返一次的偏移量2axL若往返F次逸出腔外，则(3)镜面中心处的衍射光在腔内的 最大往返次数证往返一次的偏例1 谐振腔长L=50cm,固体激光介质棒长l=30 cm,折射率为n=1.6,求本征纵模的频率间隔解L=0.31.6+(0.5-0.3)=0.68m例2 谐振腔长L=50cm,反射镜面半径a=2cm,光波长为4000,求此腔的菲涅耳数F解例1 谐振腔长L=50cm,固体激光介质棒长l=