绪论--第一章-激光的基本原理.ppt

1、激光原理,第 一 讲, 序言 激光发展历史 激光基本原理概述 光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器,作业：1-2, 1-3, 1-6,2005年国际物理年 World Physics of the year （联合国通过大会决议） “爱因斯坦年”（德、英等国直接命名） 恰逢爱因斯坦逝世50周年,1905年是科学史上较为特殊的一年，创造奇迹的一年。当时默默无闻的爱因斯坦（26岁）发表的5篇论文（涉及光电效应、布朗运动和狭义相对论）彻底改变了传统的物理学，也为造福后世的诸多技术奠定了基础。,2005国际物理年的意义 负有帮助物理学在21世纪重振雄风的重任,学好数理化，走遍天下全

2、不怕,电子、生物和经济等新兴学科的吸引力 ,主宰上世纪发展的科学界，正在缓慢而又令人痛苦地衰落，有青黄不接的危机。(法新社),21世纪是否会出现第二个爱因斯坦？,物理宏观领域：宇宙学的一些基本问题，如暗物质、暗能量的来源、组成和性质。 物理微观领域：人类对物质组成的认知还需要更为深入,Nature杂志社论： “在下一次(物理学理论)革命前，物理学的主要成就将出现在工程领域。正在从事这方面工作的物理学家如果保持沉默，是可耻的物理学不仅是要了解我们的宇宙，而且也致力于制造有用、有时也是激动人心的事物。”,物理学发挥“用”的功能：研究繁杂系统，让物理学为能源、材料、信息和环境问题提出解决方案及与其他

3、学科的交叉和渗透。,光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技术的一门学科,电子学研究电子作为信息和能量载体的科学 光子学研究光子作为信息和能量载体的科学 光子技术 相干光的产生 激光原理 （48学时） 相干光的控制 (调制、偏转) 光频率（波长）变换 相干光的检测及应用,光电子技术,电子技术-,光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波,Nature Science Physics Review Letters (PRL) 6.017 Applied Physics Letters (APL) 4.207 Optics Letters (OL) 3.395 Optics Express (

4、OE) 3.219 Journal of Applied physics (JAP) 2.281 IEEE Photonic technology Letters (PTL) 2.1 IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE) 2.097 Journal of Lightwave Technology (JLT) 1.983,一些相关的重要学术刊物 (SCI收录期刊）, 教学大纲：第三、八章（不讲）；第九、十章（自学） 教学手段： 上课内容：演示文稿（英文文稿试用） 课堂练习：课前或课后 （10min.） 课后作业：周一课前交，下课后补交按迟交处理 习题

5、讲评 上课期间不得随意离开教室 学风建设：主动积极听课，把心留在教室里， 认真独立完成作业 端正态度，不要有投机取巧的侥幸心理 处理好课程学习和出国准备的矛盾 教师有关联系信息 姚敏玉 东主楼11区410 62772370 张洪明 东主楼11区409 62772370 ,激光发展的历史回顾,LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,科学技术发展规律 基础理论研究 应用技术 产品开发 产业 基础理论研究是构筑科学大厦的基石 为激光发展进行探索的科学家,1917: 爱因斯坦(A.Einstein) 提出了受激辐射

6、可实现光放大的概念, 为激光 发明奠定了理论基础 1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电 子学与微波技术的发展 1954：美国汤斯(C.H.Townes) 前苏联巴索夫(N.G.Basov) 普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov) 第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER),1958: 美国汤斯(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow) 提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想; 布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思 1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman) 世界上第一台红宝石

7、固态激光器诞生 1997: 朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季（C.Tannoudi) 利用激光冷却和钳制原子的研究 2000: 赫伯特克雷歇尔（H.Pressel），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。,英文参考书： Amnon Yariv “Introduction to Optical Electronics ” Anthony E. Siegman “ Lasers” Orazio Svelto “Principles of Lasers” 1998年 （第四版） Joseph T. Verdeyen “Laser Electronics” 1995年（第三版） 中

8、文参考书： 邹英华 孙陶亨 激光物理学北京大学出版社 伍长征 王兆永等 激光物理学复旦大学出版社,1.2 光的受激辐射（Stimulated Emission),一、光和物质 (原子、分子、离子，统称粒子) 相互作用的三种过程,E2 and E1 表示两个激发态,一个光子的能量,辐射频率,E1,E2,hn,自发辐射 （Spontaneous Emission）。,主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。,自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21 能级21 跃迁的特征参数,E2

9、能级平均寿命,推导 A21 and s 的关系式,在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命ts呈倒数关系 ts 可以通过实验测得，由 A21 =1/s可获得自发辐射几率 A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关,受激跃迁 受激吸收 stimulated absorption (STA) 受激发射 stimulated emission (STE),受频率为 的光场作用,受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输 方向,受激吸收几率 W12,受激辐射几率 W21,单色能量密度 (J m-3 s),受激辐射几率与辐射场的强度 成正比 能级21

10、 and 12 的受激跃迁几率相等 即 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程,为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数,B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关,A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导,二、爱因斯坦关系式 A21 、B21 和B12的关系,爱因斯坦关系,热平衡黑体 辐 射 公 式,玻尔兹曼分布,f1=f2,能级简并度,说明： SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别 两种辐射比较 (热平衡情况下) 答案：SPE（自发辐射）占绝对优势,单位时间STE增加的光子数密度 单位时间STA减少的光子数密度,3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下

11、),4. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发辐射,因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。,1.3 激光产生的基本原理（概述）,激光产生的条件: (1) 粒子数反转分布 (2) 增益 损耗 即自激振荡的阈值条件,发光粒子铬离子 (Cr3+) 泵浦光源闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射光放大形成激光,以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例,一、受激辐射占优势的条件 粒子数反转分布,（population inversion）,粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大,实现粒子数反转的工作物

12、质称为增益(或激活)介质 粒子数反转分布是产生激光的前提条件 如何实现粒子数反转分布？ 只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转,medium,energy source,Almost any energy source can be used as pump, even another laser.,泵浦方法 光学 a) 闪光灯；b) 其它激光器（如半导体激光器） 电 a) 气体放电; b) 大能量电子束; c) 注入电流 (产生电子-空穴对) 3. 化学反应 a) 火焰; b) 爆炸 4. 电离性辐射 a) 核弹 b) X-ray 5. Thermal ov

13、en ,二、 受激辐射光放大 开放式谐振腔 （Open resonator or cavity） 模选择 提高光子简并度 ( Photon degeneracy ) 激活介质中的增益 增益系数 (gain coefficient), 增益饱和 (gain saturation) 增益曲线 (gain profile),光子简并度 开放式谐振腔的模选择 增益系数 (小信号、大信号、增益饱和) d. 增益曲线 (增益系数对于频率的分布),激光特性 : 单色性好、方向性好、光亮度 相干光 (coherent light) 自发辐射 非相干光光子简并度很低 受激辐射 相干光光子简并度高 什么是光子简并

14、度 n 衡量相干光的参量 具有相同能量和动量的光子数（也称同态光子数） 同一模式中的光子数,Photon degeneracy,例：黑体辐射源（近似封闭腔）的光子简并度,模密度n,黑体辐射分配到每个模式的平均能量,模密度 nn,式 (1.3.2) 的物理意义?,(1.3.2),(2) 避免产生许多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一个或少数几个模内。 (3) 将封闭腔改为开放式谐振腔,最简单的开放式谐振腔是F-P腔 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它模 式(非轴向) 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 光谐振腔有选模作用，是构成激光器的主要部分。,轴向模,F-P 光

15、谐振腔,增益系数(Gain Coefficient)与增益曲线,增益系数 描述激光工作物质放大特性的参数 定义：单位长度介质中光强增大的百分比,若介质中Dn分布均匀, g(z)常数 g0 小信号增益系数,光放大 光被吸收 透明*,随着光强不断增大，增益系数是否能保持常数,请考虑每一变化的物理原因？,受激辐射使消耗反转粒子数增多,（注意前提条件）,反转粒子数饱和 增益饱和 大信号情况,No!,增益饱和 g(I) （Gain Saturation),问题: 何时会出现增益饱和？,饱和光强 Is : 其值由增益介质本身性质决定（4.5节讨论）,光强增大到一定程度, g 将随 I 的增大而减小,小信号增益系数，常数，与 I 无关,大信号增益系数， g(I) g0,增益饱和（饱和增益系数）,增益曲线 g(n) 增益系数相