光电技术-激光原理与技术.ppt

1、第三章 激光原理与技术,本章主要内容,第四节 激光产生的条件,第三节 激光产生的原理,第二节 热辐射及黑体辐射,第一节 光源,第五节 激光器的基本结构,第六节 激光器的输出,第七节 激光的种类,第四节 激光产生的条件,1.光 源,光源分为非相干光源和相干光源 非相干光源： 照明光源（白炽灯、荧光灯等），显示光源（阴极射线管、液晶显示器、等离子体显示器等），其他（太阳等） 相干光源(激光) 气体激光器、固体激光器、染料激光器等等。,1、光源非相干光源,1.1 非相干光源,照明光源,显示光源,其它光源,1、光源相干光源,1.1 非相干光源的特点,非相干光:传播方向、频率、相位都是不统一的,非相干光

2、源的特点：由原子或分子体系的自发辐射的光脉冲集合而成光波。这些光脉冲的传播方向、频率和相位都是不确定的。,1、光源相干光源,1.2 相干光源（激光）,气体激光器,固体激光器,半导体激光器,染料激光器,1、光源相干光源,1.2 相干光源的特点,相干光:传播方向、频率、相位都是统一的,激光主要特性：光波的传播方向、相位和频率在时间、 空间上都是同一的。具有高亮度、高方向性、高单色性 和高相干性等特点。,1、光源激光,1.4 激光的发明 1917年爱因斯坦提出受激辐射理论，奠定了激光的理论基础 1954年美国人汤斯研制成功微波激射器 1958年美国人肖洛和汤斯，苏联人巴索夫和普洛霍夫同时提出激光振荡

3、的具体设想 1960年美国人梅曼发明了红宝石激光器,1、光源激光的发明,汤斯,爱因斯坦,肖洛,梅曼,世界上第一台红宝石激光器,1、光源激光的发明,表1 我国各类激光器的“第一台”,1、光源激光,1.5 激光对科学技术的影响 激光光谱学 非线性光学 信息光学 1.6 激光的应用 航天工程 激光通信 激光武器,2、热辐射及黑体辐射,2.1 热辐射 任何温度高于0K以上的物体都发射各种波长的电磁波。这种由于物体受到热激发而产生的辐射称为热辐射，所辐射的能量称为辐射能。 辐射能量以及辐射能按波长的分布都与温度有关： 随物体温度的升高总辐射能逐渐增加 随物体温度的升高辐射能量逐渐向短波部分分布 任何物体

4、向周围发射辐射能的同时，也吸收周围物体辐射的辐射能,2、热辐射及黑体辐射,热辐射的基本概念 单色辐射出射度M(,T) 如果从物体表面单位面积上所发射的、波长在和+d范围内的辐射功率为dM，那么dM与波长d间隔的比值称为单色辐射出射度，单位是单位是Wm-3 辐射出射度M(T) 从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射功率称为辐射出射度，单位是Wm-2。 辐射出射度与单色辐射出射度的关系:,2、热辐射及黑体辐射,吸收比(T) 吸收的能量和入射总能量的比值称为吸收比 反射比(T) 反射的能量和入射总能量的比值称为反射比 物体的吸收比和反射比随物体的温度和入射辐射能的波长有关 物体在温度T时，对于

5、波长在和+d范围内的辐射能的单色吸收比(,T)和单色反射比 (,T),2、热辐射及黑体辐射,2.2 绝对黑体模型 在任何温度下，若物体都能把照射在其上的任何波长的辐射都能完全吸收的物体，称为绝对黑体，简称黑体 用不透明材料制成的开一小孔的等温空腔作为黑体模型 从等温封闭空腔小孔发出的辐射模拟黑体辐射,绝对黑体模型,2、热辐射及黑体辐射,2.4 黑体辐射实验,黑体辐射实验装置,2、热辐射及黑体辐射,2.3 基尔霍夫定律 定律内容： 在同样的温度下，任何物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度 定律表达式：,其中，MB(,T)为单色辐射出射

6、度，(,T)为单色吸收比,2、热辐射及黑体辐射,2.5 黑体辐射实验结果 斯忒藩-波尔兹曼定律： 维恩位移定律：,式中，为斯忒藩-玻尔兹曼常数， =5.67010-8W/(m2K4),式中，b为维恩常数， b=2.89810-3mK,黑体辐射实验结果,2、热辐射及黑体辐射,2.6 黑体辐射理论模型 维恩公式： 瑞利-金斯公式： 维恩公式与黑体辐射实验曲线在短波段符合较好，但是在长波段产生偏离 瑞利-金斯公式与黑体辐射实验曲线长波段符合较好，但是在短波段误差很大,理论与实验相比较,2、热辐射及黑体辐射,2.7 普朗克公式 普朗克的量子假说： 辐射黑体是由带电的谐振子组成 以频率为振动的谐振子只能

7、取、 2、 3这样分立的能量值 = h， h为普朗克常数， 为振动频率 谐振子辐射电磁波并和周围的电磁场交换能量 谐振子与辐射场交换能量时，只能是某个基本单元的整数倍，而且是一份一份的按不连续的方式进行,2、热辐射及黑体辐射,普朗克公式 式中，c是光速；k=1.38110-23J/K是玻耳兹曼常数，e是自然对数的底，h=6.62610-34Js为普朗克常数。 当很小时， ，普朗克公式维恩公式 当很小时， ，普朗克公式瑞利-金斯公式,2、热辐射及黑体辐射,3. 激光产生的原理,3.1 玻尔假设 定态假设 原子中存在具有确定能量的定态，在这些定 态中，电子绕核运动不辐射也不吸收电磁能量； 原子定态

8、能量是不连续的，是量子化的，只能取某些分立数值E1,E2,En； 原子各定态的能量值称为原子能级，最低的能级称为基态，高于基态的能级称为激发态；,3. 激光产生的原理,跃迁假设 只有当原子从具有较高能量En的定态跃迁到较低能级Em的定态时，才能发射一个能量为h的光子，其频率满足 反之，原子在较低能量Em的定态，吸收一个能量为h 、频率为的光子，跃迁到较高能量En的定态,式中，h为普朗克常数,原子模型,3. 激光产生的原理,3.2 激光产生的理论基础 激光的产生是光与物质相互作用的结果 光与物质的相互作用的三种基本过程 受激吸收、自发辐射、受激吸收 在普朗克于1900年用辐射量子化假设成功地解释

9、了黑体辐射分布规律，以及波尔在1913年提出原子中电子运动状态量子化假设的基础上，爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并在推导中提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。,3. 光与物质的相互作用受激吸收,受激吸收的物理过程,(1) 受激吸收,处于低能级E1上的原子，受到频率为12、能量为h12 = E2 E1的入射光子的激励下，有可能吸收一个能量为h的光子而跃迁到相应的高能级E2上，此过程称为受激吸收,3. 光与物质的相互作用受激吸收,受激吸收爱因斯坦系数 受激吸收概率定义式 受激吸收概率不仅与原子本身有关，还与辐射场能量密度()有关，即,式中，(dN21)sp表示

10、单位体积内由受激吸收引起的由能级E1向能级E2跃迁的原子数，N1表示跃迁前E1能级上的原子数密度,式中，B12是受激吸收爱因斯坦系数，()是频率为的入射 辐射场能量密度,3. 光与物质的相互作用自发辐射,自发辐射的物理过程,(2) 自发辐射,处于高能级E2上的原子是不稳定的，即使在没有任何外界作用的情况下，也会自发地跃迁到低能级E1上，同时辐射出一个频率为21、能量为h21的光子，这种过程称为光的自发辐射,3. 光与物质的相互作用自发辐射,自发辐射爱因斯坦系数A21 自发辐射概率定义式 自发辐射是一种只与原子特性有关而与外界辐射场无关的过程，因此自发辐射概率A21又称为自发辐射爱因斯坦系数,式

11、中，(dN21)sp表示单位体积内由自发跃迁引起的由能级E2向能级E1跃迁的原子数，N2表示跃迁前E2能级上的原子数密度,3. 光与物质的相互作用自发辐射,自发辐射寿命 定义式 物理含义：能级E2上的原子数密度减少到它的初始值1/e所需的时间,说明：自发辐射是一个不受外界辐射场影响的随机过程，处于高能级的各个原子随时地、独立地向低能级自发跃迁，所发射的光子形成一个个频率、相位、偏振态和传播方向均彼此无关的波列，其辐射光是非相干光,3. 光与物质的相互作用受激辐射,受激辐射,(3) 受激辐射,处于E2能级上的原子，在受到频率为21、能量为h21 = E2 - E1的入射光子的激励下，有可能从所处

12、的E2能级受激跃迁到E1能级，并在跃迁过程中，辐射一个与激励光子同状态的光子，这种过程称为受激辐射,3. 光与物质的相互作用受激辐射,受激辐射爱因斯坦系数B21 受激辐射概率定义式 受激辐射概率不仅与原子特定能级跃迁机构有关，而且还与入射辐射场有关，即,式中，(dN21)st表示单位体积内由受激跃迁引起的由能级E2向能级 E1跃迁的原子数，N2表示E2能级上的原子数密度,式中，B21是受激辐射爱因斯坦系数，(21)是频率为21的入射 光能量密度,3. 光与物质的相互作用受激辐射,说明： 受激辐射与自发辐射不同，由于受激辐射所产生光子与入射光子处于同一状态，即，受激发射光子与入射光子同频率、同相

13、位、同偏振态、同传播方向，因而受激辐射光是相干光 受激辐射与受激吸收互为逆过程，两者同时发生，同时存在,3. 激光产生的原理爱因斯坦关系,三种跃迁过程是同时存在的，并且这三种过程不是各自孤立的，而是有着某种内在的联系，这表现在A21、B21、B12三系数的关系上 爱因斯坦关系,爱因斯坦关系为激光的发明奠定了理论基础,3. 激光产生的原理爱因斯坦关系,说明 A21、B12、B21三个爱因斯坦系数是相互关联的 在热平衡状态下，受激吸收和受激辐射的概率相等，即W12= W21 自发辐射系数A21与受激辐射系数B21之比正比于频率21的三次方，因此E2E1差值越大， 21就越高，则自发辐射越容易，受激

14、辐射就也困难 一般情况下，在热平衡条件下，自发辐射占压倒的优势，受激辐射是微乎其微,3. 激光产生的原理光谱线展宽,单位体积内原子自发跃迁所发射的功率或光强 自发辐射所释放的光谱线是单色的，也就是说辐射的全部能量集中与单一的频率 以上的推理都是基于能级理想无宽度这一假设下进行的 事实上，由于各种因素的影响，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率0附近一个有限的频率范围内，这一现象称为光谱线展宽,3. 激光产生的原理光谱线展宽,在考虑谱线展宽的情况下，自发辐射功率成为频率的函数，即I() 总的自发辐射功率为 光谱线的线型函数,光谱线的线型函数,3. 激光产生的原理光谱线展宽,均匀展宽 均匀展宽的

15、特点 引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某个特定频率与某些特定原子联系起来，或者说，每个发光原子对谱线内任一频率都有贡献 均匀展宽的类型 自然展宽 碰撞展宽 热振动展宽,3. 激光产生的原理光谱线展宽,均匀展宽自然加宽 原因：原子在激发态上的有限寿命,3. 激光产生的原理光谱线展宽,均匀展宽碰撞加宽 原因：大量原子(分子、离子)之间的无规“碰撞”,3. 激光产生的原理光谱线展宽,均匀展宽热振动展宽 由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中,导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽 晶格热振动对所有发光离

16、子的影响是相同的,属均匀加宽。晶格振动加宽是固体工作物质主要均匀加宽因素,3. 激光产生的原理光谱线展宽,非均匀展宽 非均匀展宽的特点 原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，可以区分谱线上的某一频率范围是由哪部分原子发射的 非均匀展宽的类型 多普勒展宽 残余应力展宽,3. 激光产生的原理光谱线展宽,非均匀展宽多普勒展宽 热运功的发光原子所发出的辐射的多普勒频移引起的。不同速率的原子感受到的因而发射的光波的频率就不同。由于原子按照速率有一定分布，则发光的频率也有一定分布,3. 激光产生的原理光谱线展宽,非均匀展宽残余应力展宽 晶格缺陷 (如位错、空位等晶体不均匀性)将使

17、晶格缺陷部位的晶格场与无缺陷部位的理想晶格场不同，使缺陷部位的激活离子的能级发生位移，这就导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同,4. 激光产生的条件必要条件,产生激光的两个必要条件 粒子数反转分布 减少振荡模式数 形成稳定输出的两个充分条件 起振条件（阈值条件） 稳定振荡条件（增益饱和效应）,4. 激光产生的条件粒子数反转分布,必要条件：粒子数反转分布 受激辐射 受激吸收,使入射光强增加,使入射光强减弱,4. 激光产生的条件必要条件,必要条件：粒子数反转分布 入射光能量密度的变化 粒子正常分布: 粒子数反转分布:,“下多上少”,“上多下少”,4. 激光产生的条件必要条件,必要条件：

18、粒子数反转分布 处于“粒子数反转分布”状态的物质为“激活介质” 要达到粒子数反转分布，需要一个将低能级上的粒子抽运到高能级上，这个机构称为“泵浦源” 受激辐射占主导地位,受激辐射,相干光,4. 激光产生的条件必要条件,必要条件：减少振荡模式数 方向性很好、单色性很好的相干光 必要的原因 在介质粒子数反转分布的能级之间由受激辐射产生的光可以沿各个不同的方向，很难形成极强的光束 由于激活介质中，存在多个激发态。由激发辐射产生的光可以有很多频率，很难形成单色性很好的光,4. 激光产生的条件必要条件,必要条件：减少振荡模式数 “开放式光学谐振腔” 把激活介质放在镜面相对的一对平面反射镜之间，这两块反射

19、镜相互平行，反射率分别为R1=1、R21,法布里珀罗腔,4. 激光产生的条件必要条件,光学谐振腔的作用频率筛选 能在腔内形成稳定振荡，要求波能因干涉而得到加强，发生相长干涉的条件是 满足相长干涉条件的光波频率：,4. 激光产生的条件必要条件,光学谐振腔的作用在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡,4. 激光产生的条件充分条件,激光产生的充分条件阈值条件 光放大 一段激活物质就是一个光放大器 光损耗 (1) 几何偏折损耗 (2) 衍射损耗 (3) 腔镜反射不完全引起的损耗 (4) 材料中的非激活吸收、散射,4. 激光产生的条件充分条件,激光产生的充分条件阈值条件 光的增益超过

20、光的损耗时，光波才能被放大 光束单程增益 谐振腔两镜面分别由反射率R1、R2，透过率T1、T2，镜面其他损耗1、2，,式中， 为单程增益，即光束经过激活介质一次所得的放大倍数,4. 激光产生的条件充分条件,激光产生的充分条件阈值条件 光束在腔内往返一次强度变化,4. 激光产生的条件充分条件,激光产生的充分条件阈值条件 如果 ，无法形成激光振荡 如果 ，形成有效激光振荡 激光振荡必须满足的最起码条件为 激光振荡的反转粒子数阈值公式,4. 激光产生的条件充分条件,稳定振荡条件增益饱和效应 激光的强度将随传播距离增加的变化情况,4. 激光产生的条件充分条件,稳定振荡条件增益饱和效应 当入射光强足够弱

21、时，增益系数与光强无关 而当入射光强增加到一定程度时，增益系数(G)将随光强的增大而减小,5. 激光器的基本结构,激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔 激光工作物质提供形成激光的能级机构体系，是激光产生的内因 泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因 光学谐振腔为激光起提供反馈放大机构，是受激发射的强度、方向性、单色性近一步提高,5. 激光器的基本结构激光工作物质,二能级系统,E2能级是激发态,E1能级是基态,5. 激光器的基本结构激光工作物质,三能级系统,E3能级是激发态 E2能级是亚稳态 E1能级是基态,E2,粒子数反转分布,E1,5. 激光器的基本结构激光工作物质,

22、四能级系统,E4能级是激发态 E3能级是亚稳态 E2能级留不住粒子 E1能级是基态,E3,粒子数反转分布,E3,5. 激光器的基本结构泵浦源,泵浦及泵浦源 把粒子从低能级抽运到高能级以实现粒子数反转分布的过程称为泵浦 把粒子从低能级抽运到高能级的装置称为泵浦源 激光器是一个能量转化器，即将泵浦源输入的能量转变为激光能量,5. 激光器的基本结构泵浦源,泵浦的方法 光激励方式：用一束强光或激光直接照射工作物质来完成粒子数反转 气体辉光放电或高频放电方式：用气体放电中快速电子直接轰击或共振能量来完成粒子数反转 直接电子注入方式：直接电子注入来完成粒子数反转 化学反应方式：通过化学反应释放的能量完成粒

23、子数反转,5. 激光器的基本结构光学谐振腔,光学谐振腔 稳定腔和非稳定腔 光线在共轴球面腔中的往返传播,5. 激光器的基本结构光学谐振腔,稳定腔 非稳定腔,式中， ， ，r1、r2是两个球面镜的曲率半径，L是它们的间距,稳定腔的特点：傍轴光线能在腔内往返任意多次而不致横向逸出腔外,非稳定腔的特点：傍轴光线在腔内经有限次往返后必然从侧面逸出腔外,5. 激光器的基本结构光学谐振腔,5. 激光器的基本结构光学谐振腔,6. 激光器的输出输出模式,激光器的输出是由许多独立的频率分量组成 模式是指腔内存在的、稳定的光波基本形式 1) 有确定的频率； 2) 振幅在空间的相对分布是确定的不随时间而改变； 3)

24、 相位在空间的相对分布是确定的不随时间而改变。 通常将谐振腔产生的模式分为两类：“纵模”和“横模”,6. 激光器的输出输出模式,“纵模”与“横模” 纵模彼此间的差异仅在于它们具有不同的振荡频率 横模彼此间的差异除了具有不同的振荡频率之外，而且在垂直于其传播方向的平面内，光场的分布也不同,6. 激光器的输出输出模式,振荡模式TEMmnq m，n，q可分别取0，1，2，等整数 TEM表示“横向电磁波” m和n表示该模式在垂直于腔内平面内的振幅分布情况，称“横模阶数” q表示该模式在光腔轴向形成的驻波节点数，称“纵模阶数” 一组确定的m，n，q对应于一种模式,6. 激光器的输出输出模式,纵模 满足共

25、振条件的电磁波频率 相邻两纵模间的频率间隔 在增益曲线线宽范围内的频率才能形成实际的振荡 实际振荡模数,6. 激光器的输出输出模式,激光腔纵模振荡模式,6. 激光器的输出输出模式,横模 谐振腔内横向光场分布称为横模m，n 直角坐标系 m和n的数值分别是该模式在x轴和y轴的节点数 在柱坐标系 m和n分别为径向和旋转角向的节点数 m和n的数值越大，模的阶数就越高,6. 激光器的输出输出模式,6. 激光器的输出高斯光束,高斯光束 激光输出的具有高斯强度分布的光束称为“基模”或TEM00模 高斯光束光场振幅分布： 称为光束半径或光斑尺寸，而将2称为光束直径,6. 激光器的输出高斯光束,光斑尺寸 高斯光

26、束轮廓线,6. 激光器的输出高斯光束,高斯光束和平面波光束的发散角 高斯光束发散角 平面波光束发散角,6. 激光器的输出激光的特点,方向性 激光器发出的激光束发散角()和在空间所张的立体角()很小 单色性 由于激光的发光频率是受激光跃迁所决定的，仅有极小的线宽 亮度 由于激光器在时间(单色性)和空间(方向性)方面的高度集中，因而具有极高的亮度,6. 激光器的输出激光的特点,相干性时间相干性 时间相干性是指同一光源在不大于相干时间的两个不同时刻发生的光在空间某处交会能产生干涉的性质 相干时间： 相干时间是表征时间相干性的参量，它的物理意义是在空间某处同一光源在时间间隔处于相干时间内的不同时刻发生

27、的光都是相干的,6. 激光器的输出激光的特点,相干性空间相干性 空间相干性是指同一时刻，处于某给定光波的同一波面上不同两点之间波长的相干性 对于普通光源，产生干涉的条件 对于激光器，不放置双缝也可以观测到干涉现象，因而，激光具有极好的空间相干性,7.激光器的种类,按功率分类 超大功率、大功率、中功率、小功率激光器 按输出激光连续性状况分类 连续激光器、脉冲激光器等 按泵浦方式分类 光泵浦激光器、电泵浦激光器等 按激光工作物质的类型分类 气体激光器、固体激光器、半导体激光器等,7.激光器的种类气体激光器,以气体为工作物质的激光器称为气体激光器 大多数气体激光器能连续工作 一般采用气体放电中的电子

28、碰撞来激发。 自从1961年首次报道研制成氦氖激光器以来，相继出现各种原子、离子、分子、准分子型气体激光器,7.激光器的种类气体激光器,气体激光器的特点 工作物质均匀一致 谱线范围宽 即能连续又能脉冲工作，效率高 与半导体、固体激光器相比较，气体激光器的气体或蒸汽的粒子密度较低，一般来说气体激光器的体积较大，不容易做到大能量的脉冲输出,7.激光器的种类气体激光器,He-Ne激光器,7.激光器的种类固体激光器,固体激光器通常是指以绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器 激光工作物质是掺入少量的过渡金属离子或稀土离子的晶体或玻璃 典型的固体激光器由红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器、钛蓝宝石激光器,

29、7.激光器的种类固体激光器,固体激光器的主要特征 运行方式多样 能实现激光运转的固体工作物质多达数百种，其激光谱线达数千条 固体激光器导光系统简单，制作容易 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、价格适宜,7.激光器的种类固体激光器,固体激光器的基本结构 固体激光器由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、冷却滤光及激光电源等主要部分组成 工作物质是激光器的核心，它由掺杂离子型电介质晶体与玻璃材料加工而成 泵浦源为工作物质中粒子反转提供光能。常用的泵浦源有惰性气体放电、金属蒸汽灯、钨丝灯、太阳能及二极管激光器,7.激光器的种类固体激光器,聚光腔的作用是将泵浦源辐射的光能有效均匀的汇聚至工作物质上，以获得

30、高的泵浦效率 谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是激光器的重要部分 冷却与滤光系统的作用是防止聚光腔及内部元件温升过高，并减小泵浦灯中紫外辐射对工作物质的有害影响,7.激光器的种类固体激光器,红宝石激光器 激光工作物质是红宝石(掺有少量Cr2O3的Al2O3的人工晶体) 输出波长为694.3nm的三能级系统激光器 Nd:YAG激光器 工作物质是YAG(Y3AL5O12)和以杂质形式出现的稀土金属离子Nd3+ 输出波长1.06m的四能级系统,7.激光器的种类半导体激光器,半导体激光器出现的理论基础 早在1953年美国的冯纽曼在他一篇未发表的论文手稿中第一论述了在半导体中产生受激发射的可能性。 1958年苏联的巴索夫首次公开发表文章提出半导体中实现粒子数反转的理论论述。 1960年贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解离面作为产生光反馈的谐振腔。 1961年苏联的巴索夫最先公开发表将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器的论述”，并论述了在PN结中实现粒子数反转的可能性。,7.激光器的种类半导体激光器,1961年伯纳德和度拉富格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件。 1962年后期美国四个实验室几乎同时宣布研制成功GaAs同质结半导体激光器。 1963年巴索夫研制成GaAs PN结半导体激光器。 1967年用液相外延的方法制成了单异质结激光