1、激光原理第一節(jié)課2004年10月9日1*第1頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四第一章 激光的物理基礎(chǔ)光的電磁波理論光波的模式和光子的量子狀態(tài)光的相干性和相干體積光子簡并度黑體輻射光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射激光的產(chǎn)生激光器和激光的特性2004年10月9日2*第2頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四黑體輻射的普朗克公式黑體(絕對黑體)：指入射到該物體面上各種波長的能量都能完全吸收的物體。絕對黑體示意圖黑體輻射：指黑體所發(fā)出的電磁輻射。黑體輻射的普朗克公式(量子統(tǒng)計(jì))單位頻率間隔的能量密度：吸收系數(shù) ：物體在溫度T時，入射到物體的表面上的波長為 的

2、電磁輻射能量中，有 部分被吸收了2004年10月9日3*第3頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收愛因斯坦在光量子理論的基礎(chǔ)上，考慮了光和物質(zhì)相互作用的模型(原子的兩個能級)，引入了兩個重要概念，同樣得出了普朗克公式光的自發(fā)輻射在沒有外界作用的情況下，原子從高能級E2向低能級E1的躍遷方式有兩種：無輻射躍遷和自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射光輻射出的光子能量：2004年10月9日4*第4頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收光的受激吸收受激吸收躍遷示意圖入射光當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來的能量為 的

3、光子作用下，如果 ，則處于低能級 上的原子由于吸收一個能量為 的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級 上去的過程。2004年10月9日5*第5頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收受激輻射躍遷示意圖入射光受激輻射光光的受激輻射光的受激輻射：當(dāng)原子受外來的能量為 的光子激勵下，從高能級 躍遷到低能級 ，原子發(fā)射一個與外來光子一模一樣的光子的過程。入射光2004年10月9日6*第6頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別原子受激輻射的光與外來的引起受激輻射的光有相同的頻率、位相、偏振及傳播方向。2004年10

4、月9日7*第7頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的受激輻射的特點(diǎn)通過受激輻射，可以實(shí)現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大從而得到光子簡并度極高的相干光。激光器發(fā)光，正是利用受激輻射的上述特點(diǎn)。2004年10月9日8*第8頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的受激輻射放大稱為激光有一束能量為 的入射光子通過激活物質(zhì)，光的受激輻射過程超過受激吸收過程，受激輻射占主導(dǎo)地位，光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of R

5、adiation2004年10月9日9*第9頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光的產(chǎn)生當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收這三個過程是同時出現(xiàn)的，如何實(shí)現(xiàn)大量原子的受激輻射產(chǎn)生激光?2004年10月9日10*第10頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布)在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，各能級上的集居數(shù)服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布ni = C * exp (-Ei/kT) 處于熱平衡狀態(tài)下個能級的粒子數(shù)分布示意圖激光產(chǎn)生必須具備的前提條件2004年10月9日11*第11頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期

6、四集居數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)激光的必要條件由玻耳茲曼方程得到：正常粒子狀態(tài)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)對比示意圖正常粒子狀態(tài)下光的吸收總是大于光的受激輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)2004年10月9日12*第12頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四泵浦(或抽運(yùn))的方法光泵浦放電泵浦化學(xué)反應(yīng)泵浦重粒子泵浦離子輻射泵浦2004年10月9日13*第13頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四選取能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在一般情況下，大量原子處于基態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的時間很短，約為 ，不穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)要穩(wěn)定得多，如：具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，就能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2004年10月9

7、日14*第14頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四紅寶石激光器2004年10月9日15*第15頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光的自激振蕩和激光諧振腔光的自激振蕩：光在增益介質(zhì)內(nèi)傳播放大，總存在各種各樣的光損耗，當(dāng)增益和損耗達(dá)到平衡時光強(qiáng)不再增加并達(dá)到一個穩(wěn)定的極限值。只要激光放大器的長度足夠大，就可能成為一個自激振蕩器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的激光振蕩。實(shí)際的激光振蕩器是將具有一定長度的光學(xué)放大器放置在由兩塊鍍有高反射率的反射鏡所構(gòu)成的光學(xué)諧振腔內(nèi)。2004年10月9日16*第16頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光產(chǎn)生的三個前

8、提條件有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子(原子、分子或離子)有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；有外界激勵源，使激光上下能級之間產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)；有激光諧振腔，使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。2004年10月9日17*第17頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四第一章小結(jié)2004年10月9日18*第18頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四第二章 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔的構(gòu)成和作用光學(xué)諧振腔的模式光學(xué)諧振腔的損耗，Q值及線寬光學(xué)諧振腔的幾何光學(xué)分析光學(xué)諧振腔的衍射理論分析平行平面腔的Fox-Li數(shù)值迭代法穩(wěn)定球面鏡共焦腔一般穩(wěn)定球面鏡腔及

9、等價共焦腔非穩(wěn)定諧振腔選模技術(shù)2004年10月9日19*第19頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四第一節(jié) 光學(xué)諧振腔的構(gòu)成光學(xué)諧振腔的構(gòu)成最簡單的光學(xué)諧振腔是在激活介質(zhì)兩端恰當(dāng)?shù)胤胖脙蓚€鍍有高反射率的反射鏡構(gòu)成。常用的基本概念：光軸：光學(xué)諧振腔中間垂直與鏡面的軸線孔徑：光學(xué)諧振腔中起著限制光束大小、形狀的元件，大多數(shù)情況下，孔徑是激活物質(zhì)的兩個端面，但一些激光器中會另外放置元件以限制光束為理想的形狀。2004年10月9日20*第20頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四光學(xué)諧振腔的種類諧振腔的開放程度，閉腔、開腔、氣體波導(dǎo)腔開放式光學(xué)諧振腔(開腔)通常

10、可以分為穩(wěn)定腔、非穩(wěn)定腔反射鏡形狀，球面腔與非球面腔，端面反射腔與分布反饋腔反射鏡的多少，兩鏡腔與多鏡腔，簡單腔與復(fù)合腔2004年10月9日21*第21頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四閉腔、開腔、氣體波導(dǎo)腔閉腔開腔氣體波導(dǎo)腔固體激光器的工作物質(zhì)通常具有比較高的折射率，因此在側(cè)壁上將發(fā)生大量的全反射。如果腔的反射鏡緊貼激光棒的兩端，則在理論上分析這類腔時，應(yīng)作為介質(zhì)腔來處理。半導(dǎo)體激光器是一種真正的介質(zhì)波導(dǎo)腔。這類光學(xué)諧振腔稱為閉腔 這是激光技術(shù)歷史上最早提出的平行平面腔（F-P腔）。后來又廣泛采用了由兩塊具有公共軸線的球面鏡構(gòu)成的諧振腔。從理論上分析這些腔時，通常認(rèn)為

11、側(cè)面沒有光學(xué)邊界，因此將這類諧振腔稱為開放式光學(xué)諧振腔，簡稱開腔另一類光腔為氣體波導(dǎo)激光諧振腔，其典型結(jié)構(gòu)是一段空心介質(zhì)波導(dǎo)管兩端適當(dāng)位置放置反射鏡。這樣，在空心介質(zhì)波導(dǎo)管內(nèi)，場服從波導(dǎo)中的傳播規(guī)律，而在波導(dǎo)管與腔鏡之間的空間中，場按與開腔中類似的規(guī)律傳播。2004年10月9日22*第22頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四穩(wěn)定腔和非穩(wěn)定腔看在腔內(nèi)是否存在穩(wěn)定振蕩的高斯光束2004年10月9日23*第23頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四由兩塊相距為L、平行放置的平面反射鏡構(gòu)成由兩個以上的反射鏡構(gòu)成雙凹球面鏡腔：由兩塊相距為L，曲率半徑分別為R1和

12、R2的凹球面反射鏡構(gòu)成R1+R2=LR1=R2=L一般球面腔RL2R平凹腔和凹凸與雙凸腔圖2-2-1書中58頁2004年10月9日24*第24頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四第一節(jié) 光學(xué)諧振腔的作用1. 提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔?： 使得振蕩光束在腔內(nèi)行進(jìn)一次時，除了由腔內(nèi)損耗和通過反射鏡輸出激光束等因素引起的光束能量減少外，還能保證有足夠能量的光束在腔內(nèi)多次往返經(jīng)受激活介質(zhì)的受激輻射放大而維持繼續(xù)振蕩。影響諧振腔的光學(xué)反饋?zhàn)饔玫膬蓚€因素：組成腔的兩個反射鏡面的反射率；反射鏡的幾何形狀以及它們之間的組合方式。2. 產(chǎn)生對振蕩光束的控制作用改變腔的參數(shù)如：反射鏡、幾何形狀、曲

13、率半徑、鏡面反射率及配置有效地控制腔內(nèi)實(shí)際振蕩的模式數(shù)目，獲得單色性好、方向性強(qiáng)的相干光可以直接控制激光束的橫向分布特性、光斑大小、諧振頻率及光束發(fā)散角可以控制腔內(nèi)光束的損耗，在增益一定的情況下能控制激光束的輸出功率2004年10月9日25*第25頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四研究光學(xué)諧振腔的目的通過了解諧振腔的特性，來正確設(shè)計(jì)和使用激光器的諧振腔，使激光器的輸出光束特性達(dá)到應(yīng)用的要求2004年10月9日26*第26頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四第二節(jié) 光學(xué)諧振腔的模式(波型)在具有一定邊界條件的腔內(nèi)，電磁場只能存在于一系列分立的本征態(tài)之

14、中，場的每種本征態(tài)將具有一定的振蕩頻率和空間分布。光學(xué)諧振腔的模式: 諧振腔內(nèi)可能存在的電磁場本征態(tài)。模式與腔的結(jié)構(gòu)之間具有依賴關(guān)系光學(xué)諧振腔的模式分為：縱模和橫模2004年10月9日27*第27頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四諧振條件和駐波條件駐波的定義：二振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時迭加的結(jié)果稱為駐波。平行平面腔中平面波的往返傳播光腔中的駐波相位差：光學(xué)長度：駐波條件(光波波長和平行平面腔腔長)：諧振頻率(頻率和平行平面腔腔長)：2004年10月9日28*第28頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四縱模-縱向的穩(wěn)定場分布激光的縱模(

15、軸模)：由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向穩(wěn)定場分布整數(shù)q稱為縱模的序數(shù)，駐波系統(tǒng)在腔的軸線上零場強(qiáng)度的數(shù)目諧振腔內(nèi)q階縱模的頻率為基縱模頻率的整數(shù)倍(q倍）q階縱模頻率可以表達(dá)為：基縱模的頻率可以表達(dá)為：縱模的頻率間隔：2004年10月9日29*第29頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四腔的縱模在頻率尺度上是等距離排列的 激光器諧振腔內(nèi)可能存在的縱模示意圖2004年10月9日30*第30頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四單頻激光器和多模激光器L=10厘米和L=30厘米的He-Ne氣體激光器L=10厘米的He-Ne氣體激光器L=30厘米的He-Ne氣體激光器

16、Ne原子的中心頻率：Ne原子的中心波長：熒光光譜線寬：63282004年10月9日31*第31頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光器中出現(xiàn)的縱模數(shù)工作原子自發(fā)輻射的熒光線寬越大，可能出現(xiàn)的縱模數(shù)越多。激光器腔長越大，相鄰縱模的頻率間隔越小，同樣的熒光譜線線寬內(nèi)可以容納的縱模數(shù)越多。2004年10月9日32*第32頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光諧振腔內(nèi)低階縱模分布示意圖2004年10月9日33*第33頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光縱模分布示意圖 2004年10月9日34*第34頁，共49頁，2022年，5月

17、20日，13點(diǎn)39分，星期四橫模-橫向X-Y面內(nèi)的穩(wěn)定場分布激光的模式用符號：TEMmnqq為縱模的序數(shù)(縱向駐波波節(jié)數(shù))，m,n (p,l)為橫模的序數(shù)。對于方形鏡，M表示X方向的節(jié)線數(shù)， N表示Y方向的節(jié)線數(shù)； 對于圓形鏡， p 表示徑向節(jié)線數(shù)，即暗環(huán)數(shù)，l表示角向節(jié)線數(shù)，即暗直徑數(shù)基模(橫向單模)：m=n=0,其它的橫模稱為高階橫模方形反射鏡和圓形反射鏡的橫模圖形2004年10月9日35*第35頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四2004年10月9日36*第36頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四(c) TEM02(d) TEM03(a) TE

18、M00(b) TEM102004年10月9日37*第37頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四 橫模電場分布及強(qiáng)度示意圖 (a) TEM00 (b) TEM10 (c) TEM202004年10月9日38*第38頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光諧振腔內(nèi)電場橫模分布示意圖TEM002004年10月9日39*第39頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光諧振腔內(nèi)電場橫模分布示意圖TEM112004年10月9日40*第40頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光多橫模振蕩示意圖2004年10月9日41*第4

19、1頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四橫模(自再現(xiàn)模)的形成u1 u3 u2 u4 理想開腔：兩塊反射鏡的直徑為2a，間距為L橫模(自再現(xiàn)模): 在腔反射鏡面上經(jīng)過一次往返傳播后能“自再現(xiàn)”的穩(wěn)定場分布實(shí)際情況下，諧振腔的截面是受腔中的其他光闌限制的，67頁的圖2-2-5給出了孔闌傳輸線的自再現(xiàn)模的形成2004年10月9日42*第42頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四激光模式的測量方法橫模的測量方法：在光路中放置一個光屏；拍照；小孔或刀口掃描方法獲得激光束的強(qiáng)度分布，確定激光橫模的分布形狀縱模的測量方法：法卜里珀洛F-P掃描干涉儀測量，實(shí)驗(yàn)中利用球面掃描干涉儀2004年10月9日43*第43頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四縱模的測量方法：球面掃描干涉儀測量測量原理：通過測量激光輸出的頻率譜來判定模式2004年10月9日44*第44頁，共49頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)39分，星期四球面掃描干涉儀兩球面鏡：組成無源腔小孔光闌：增加高次橫模的衍射損耗壓電陶瓷：通過改變電壓而改變腔長因而導(dǎo)致改無源腔所允許通過激光頻率改變示波器