激光原理教案第一章.ppt

1、第一章：激光的基本原理，1-1相干光子描述1-2光的受激辐射的基本概念1-3光的受激辐射放大1-4光的自激振荡1-5激光特性，1-1相干光子描述，一个光子的基本性质，它有两种可能的独立偏振态，对应光波场的两个独立偏振方向。光子有自旋，自旋量子数是整数。因此，大量光子的收集遵循玻色爱因斯坦统计定律。处于相同状态的光子数量没有限制，这是光子和其他粒子(电子、质子、中子等)之间的重要区别。)服从费米统计分布。根据量子电动力学的概念，光波模式和光子状态是等价的概念。由麦克斯韦方程确定。单色平面波是麦克斯韦方程的特殊解，麦克斯韦方程的一般解可以表示为一系列单色平面波的线性叠加。腔立方中的模数m，n，q

2、n和q是正整数，对应于腔中的一个模(包括两个极化)。在k空间中，波矢量的绝对值在区间内。在图1.1.1中，波矢量空间中有两种不同的极化。上述模式号应乘以2。不确定关系表明微观粒子的坐标和动量不能同时精确测量，位置测量越精确，动量越不精确。上述相空间体积元素称为相格。相格是相空间中任何实验都可以区分的最小尺度。光子的运动状态只能局限在一个相格中，但它在相格中的对应位置却无法确定。微观粒子不同于宏观粒子，它们的运动状态对应于一个相格而不是相空间中的一个点。这表明微粒运动的不连续性。只有当所考虑的运动物体的能量和动量远远大于普朗克常数H所标示的量hv和hk，从而可以忽略定量效应时，量子力学运动才会过

3、渡到经典力学运动。由相格占据的坐标空间体积(或相格空间体积)，可以看出光波模式也在相空间中占据相格，因此，光波模式相当于光子状态。在物理光学中，已经证明了在图中，当两个狭缝到光源的距离的张角为33，360时，在距离光源R的相干面积为33，360的条件下，由线性的X光源A和两点S1和S2照射的光波场具有明显的空间相干性。第三，光子的相干性，光的相干性被理解为在不同空间点和不同时间的一些光波场。相干体积：如果空间体积Vc中各点的光波场具有明显的相干性，则称之为相干体积。普通光源发出光，这是大量独立振荡器(如发光原子)的自发辐射。如图所示，每个振荡器发出的光波由持续时间为t或在空间中占据长度为ct的

4、波列组成。单原子发光的光波列和光谱，光源的单色性越好，光源的相干时间越长，相干体积越大。如果传播方向是有限的，并且具有带宽的光波是相干的，则光源的空间体积应该小于VCS。从光子的角度，分析如下：动量P受限于立体角的光子是由面积为(X)2的光源发出的，这可以从动态测量不确定度关系中得知，即相位点阵的空间体积和相干体积相等。如果光子属于同一个光子状态，它们应该包含在相干体中。也就是说，属于同一光子状态的光子是相干的。结论：1相晶格的空间体积和光波模式或光子态所占据的空间体积等于相干体积。属于相同状态的光子或相同模式的光波是相干的。不同状态的光子或不同模式的光波是不相关的。光子的简并性，一个好的相干

5、光源应该具有尽可能高的相干光强、大的相干面积和尽可能长的相干时间光子简并度：处于相同光子状态的光子数。意思是：同态光子数，同模光子数，相干体光子数，同相晶格光子数。相干光的强度取决于相干光子或同态光子的数量。1-2光的受激辐射的基本概念是由爱因斯坦(1917)首先提出的。爱因斯坦在1900年普朗克用辐射量子化假说成功解释黑体辐射分布和1913年玻尔对原子中电子运动状态量子化假说的基础上，从光量子的概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，提出了两个极其重要的概念：受激辐射和自发辐射。40年后，受激辐射的概念被应用于激光技术。黑体辐射普朗克公式，绝对黑体(简称黑体):物体在温度t时可以发射和吸收

6、电磁辐射。如果一个物体能完全吸收任何波长的电磁辐射，它就被称为绝对黑体。(空腔是绝对黑体)，热辐射(温度辐射):物体不仅吸收电磁辐射，而且还发射电磁辐射，这就是所谓的热辐射。黑体辐射或平衡辐射：黑体在某一温度t时处于热平衡，那么吸收的辐射能应等于发射的辐射能，即黑体和辐射场应处于能量(热)平衡状态。显然，这种平衡将不可避免地导致在空腔中存在完全确定的辐射场。这个辐射场被称为黑体辐射或平衡辐射。单色能量密度：单位体积内的电磁辐射能量，其频率在附近的单位频率区间内。量纲为焦耳米3秒，普朗克量子化假设和黑体辐射的普朗克公式：腔的单位体积中光波模的数量与频率在附近的单位频率区间：每个模的平均能量为：2

7、。受激辐射和自发辐射的概念，辐射场是构成黑体的物质原子相互作用的结果。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级E1和E2，并且有，单位体积中两个能级的原子数分别用n2和n1表示，还有自发辐射，让我们假设N1和N2单位体积中E1和E2能级的原子数。从E2 E1每单位体积每单位时间自发发射的原子数：h，写成方程，21自发发射系数，单个原子每单位时间自发发射过程的概率。每个原子自发发出的光是独立的、不相关的非相干光。受激辐射，同一个光子，当温度为(，)时，频率约为=(E2-E1)/h，单位频率间隔内外部光的能量密度。单位时间内每单位体积从E辐射出的原子数：写成方程B21，受激辐射系数，W21单位时间内

8、单个原子发生受激辐射过程的概率。然后，受激辐射光和外部光的频率、偏振方向、相位和传播方向都是相同的存在光放大。让W21=B21(t)，吸收，h，上述外部光也可能被吸收，导致原子从E1E2移动。从E1E2开始，由于单位时间内外部光的吸收，单位体积内的原子数为：3。A21、B12和B21之间的关系，热平衡状态的符号是：1。空腔中有热平衡黑体辐射。2在热平衡状态下，腔内原子序数根据能级的分布应服从玻尔兹曼分布，A21、B21和B12称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1917年从理论上得出结论，爱因斯坦的受激辐射理论为20世纪60年代早期获得激光奠定了理论基础。B21=B12，自发跃迁的爱因斯坦系数A21的

9、含义是：A21是：原子在能级E2的平均寿命s的倒数，假设从高能级en到Em的跃迁概率是Anm，激发态en的平均自发发射寿命是：4。受激辐射的相干性，自发辐射是原子不受外部辐射场控制的自发过程。大量原子的自发辐射场的相位是随机分布的，因此是不可逆的此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是随机分布的，自发辐射均匀分布到腔内的所有模式。受激辐射的发光过程受外辐射场的控制，因此很容易想象每个原子受激辐射的相位不再是随机分布的，而是应该与外辐射场具有相同的相位。基于量子电动力学，可以证明受激辐射光子和入射(受激)光子属于同一个光子态；换句话说，激发辐射场和入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢量(传播方向

10、)和偏振，因此激发辐射场和入射辐射场属于相同的模式。由同一辐射场激发的大量原子产生的激发辐射处于同一光波模式或光子状态，因此是相干的。1.光放大的概念。普通光源是红外和可见光波段的非相干光源。例如，黑体辐射源的光子简并度等于30cm(微波)。n103黑体基本上是相干光源，T300K:即使黑体温度升高，也不可能从根本上改善它的相干性。N1=1米，黑体温度高达50000千。Pair=60m(远红外辐射)，n1，而pair=0.6m(可见光)，n10-35，即光波模式中的光子数为10-35(全非相干光源)。2.光放大的概念激光的基本思想是受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。如果我们能使腔

11、中的某一个模式(或几个模式)大大增加，而其他模式都很小，我们就能得到一个或几个光子简并度很高的模式。在光学谐振腔：中，填充有材料原子的长方体腔(黑体)的侧壁被去除，留下两个端壁。如果端面处的腔壁对光具有高反射系数，则沿着垂直于端面的腔轴方向传播的光(相当于几个模式)将在腔中被多次反射而不会从腔中逸出，而所有其他方向的光将容易从腔中逸出。可以选择光波模式。光的受激辐射放大：如果轴向模式没有被原子吸收，它被原子的受激辐射放大，也就是说，获得了非常高的光子简并度。第二，为了实现光放大条件布居数的反演，当材料处于热平衡时，每个能级的原子数(或布居数)服从玻尔兹曼统计分布，即在热平衡时，高能级的布居数总

12、是小于低能级的布居数，处于热平衡的材料只能吸收光子。如果n2n1材料的光吸收可以转化为它的相反的光放大。粒子数反转(也称为粒子反转)。只有当外界向材料提供能量(称为激发或泵浦过程)，使材料处于非热平衡状态时，才能实现粒子数反转。激发(或泵浦)过程是光放大的必要条件。3。光放大物质、激活物质(或激光介质)的增益系数和增益曲线：处于粒子数反转状态的物质。活性物质是光放大器。放大(或增益)系数：表示每单位长度光通过活性物质后光强增加的百分比。如果n2(z)-n1(z)与Z无关，那么G(z)是常数，增益饱和效应：n2(z)-n1(z)随Z的增加而减小，所以增益系数G(z)也随Z的增加而减小，单位体积沉

13、降数之差，I0为饱和光强。G0小信号增益系数(I I0)。如果i0不满足，则称为大信号增益系数(或饱和增益系数)，增益系数也是光波频率的函数。G(I)随其变化的曲线称为增益曲线和增益曲线宽度。光的自激振荡，1。自激振荡的概念，损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分比，激光器应包括光放大器和光腔两部分，光腔的功能如下：1。模式选择。确保激光器的单模(或几个轴向模式)振荡，从而提高激光器的相干性。2 pr2.振荡条件，阈值振荡：G0=腔内的光强保持在初始光强。振荡条件的另一种表达形式：G0l称为单向小信号增益。1.满足上述两个条件后，应采取什么措施使受激辐射代替自发辐射成为增益介质中的主要发光过

14、程？2.为了使受激辐射的概率远远大于自发辐射的概率，可以增加增益介质的长度。3.从技术上讲，这种介质不可能无限长。实现这一思想的措施是采用光学谐振腔。如右图所示，这是一个带有平行平面腔的简单光学谐振腔。被谐振腔中的激光放大。光学谐振腔效应，15。激光的特性，激光的四个特性：单色性、相干性、方向性和高强度。激光具有高光子简并性。在大的相干体积中，激光可以具有高的相干强度。激光的这一特性是由于受激辐射的性质和光腔的模式选择而实现的。1.激光的空间相干性和方向性与光束的空间相干相位和方向性(光束的发散角)之间的关系。对于普通光源，明显空间相干的条件是：例如，理想的平面光波是完全空间相干的，其发散角为

15、零。纵模：光波场沿传播方向(腔轴方向)的分布E(z)，光波场在垂直于横模：传播方向的截面上的分布E(x，y)。不同横模的光场分布用TEMmn表示，TEM表示光波为横向电磁波，M和N分别表示光场在X和Y方向通过零值的次数(轴对称情况)。TEM00模式称为基本模式，其他模式称为高阶模式。激光束的空间相干性和方向性与激光器的横模结构有关。相同模式的光波场是空间相干的。另一方面，单横模结构具有最好的方向性。如果激光器具有多横模结构，不同模式的光波场是不相干的，因此激光器的空间相干性降低，并且多横模意味着方向性变差(高阶模式的发散角增加)。这表明激光的方向性越好，其空间相干性越高。激光器限于单横模TEM

16、00工作，合理选择腔型，增加腔长以改善光束的方向性。许多实际因素，如工作材料的不均匀性、光学腔的加工和调整误差等。会导致方向性的恶化。激光可以达到的最小光束发散角也受到衍射效应的限制，衍射效应不能小于激光通过输出孔径时衍射角的衍射极限。氦-氖气体激光器的方向性与不同类型的激光器有很大的不同，这与工作物质的类型和均匀性、光腔的类型和长度、激光的激发方式和工作状态有关。气体激光器具有最好的103拉德方向性，氦氖激光器甚至可以达到3104拉德，非常接近其衍射极限。固态激光器的方向性很差，一般在102拉德左右。主要原因是由多种因素引起的固体材料的光学不均匀性，以及普通固体激光器使用的短腔长和激发不均匀性。半导体激光器的方向性一般约为(510)102拉德，激光束的空间相干性和方向性对其聚焦性能有重要影响。可以证明，当一束具有发散角的单色光被焦距为f的透镜聚焦时，焦斑直