第二講激光原理與選模段作梁電子工程學院光電子技術系當前第1頁\共有41頁\編于星期五\22點主要內容一、激光歷史回顧二、激光原理簡述三、諧振腔的結構與作用四、激光模式的選擇

當前第2頁\共有41頁\編于星期五\22點激光技術、計算機技術、原子能技術、生物技術,并列為二十世紀最重要的四大發現。是人類探索自然和改造自然的強有力工具。與電子電力技術、自動化測控技術的完美結合，使激光技術能夠更好的為人類創造美好生活。

一、激光的歷史回顧當前第3頁\共有41頁\編于星期五\22點（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國物理學家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國于1961年研制出第一臺激光器，從此以后，激光技術得到了迅速發展，引起了科學技術領域的巨大變化。光是（波長較短的）電磁波

“激光”（LASER）一詞是受激輻射光放大當前第4頁\共有41頁\編于星期五\22點50多年來，激光技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫療與光子生物學，激光加工技術，激光檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。當前第5頁\共有41頁\編于星期五\22點該領域的有關諾貝爾獎1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的發明1971:DennisGabor,激光全息術1981:洛.布隆姆貝根,激光光譜學1997:朱隸文等三人,激光冷卻和陷俘原子

說明:朱隸文系美籍華人,1948年生于密蘇里州,其父臺灣中央研究院院士

2005：羅伊·格勞伯，對光學相干的量子理論的貢獻約翰·霍爾、奧多爾·漢斯：基于激光的精密光譜學研究當前第6頁\共有41頁\編于星期五\22點

授予在光學領域的理論和應用方面做出貢獻的兩名美國人和一名德國人。他們是：哈佛大學羅伊·格勞伯（下圖左）、科羅拉多大學約翰·霍爾和德國路德維希-馬克西米利安大學特奧多爾·漢斯（下圖右）。格勞伯是因為“對光學相干的量子理論的貢獻”而獲獎，他的研究不僅為新興的量子光學研究奠定了基礎，他和其他科學家在這一領域的研究成果，也有望在未來用于開發更加安全的通信加密技術。霍爾和漢斯獲獎是因為對基于激光的精密光譜學發展做出了貢獻，使“光梳”等技術的測量精度有望進一步提高，并將在很多領域找到用武之地。這些技術有望改進現有的全球定位系統，提高太空望遠鏡的觀測精度。另外，類似的超高精度測量技術，也可能應用于研究物質和反物質的關系，以及用于檢測某些自然界常數可能產生的變化。2005年諾貝爾物理學獎當前第7頁\共有41頁\編于星期五\22點

二、激光原理簡述

按量子力學原理，原子只能穩定地存在于一系列能量不連續的定態中，原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個定態之間進行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。光子與物質原子相互作用過程中，存在三種類型的躍遷。即：吸收、自發輻射和受激輻射。E1E3E2當前第8頁\共有41頁\編于星期五\22點

如圖1-1所示，有一個原子開始時處于基態E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態不變。如果有一個外來光子，能量為hv，與該原子發生相互作用。且，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態——激發態。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發到高能態去。這一過程被稱之為原子吸收。值得注意的是，只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級之差時，光子才能被吸收。原子吸收

E1E3E2圖1-1原子吸收示意圖hvE1E3E2當前第9頁\共有41頁\編于星期五\22點

與經典力學中的觀點類似，處于高能態的原子是不穩定的。它們在激發態停留的時間非常短（數量級約為10-8s），之后，會自發地返回基態去，同時放出一個光子。這種自發地從激發態躍遷至較低的能態而放出光子的過程，叫做自發輻射。原子在激發態的平均停留時間稱之為激發態的壽命。hv圖1-2自發輻射示意圖E1E3E2自發輻射當前第10頁\共有41頁\編于星期五\22點自發輻射的特點：這種過程與外界作用無關。各原子的輻射都是獨立地進行。因而所發光子的頻率、初相、偏振態、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發氣體原子，當它們從激發態躍遷返回基態時，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復雜，發光方向各向都有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自發輻射。當前第11頁\共有41頁\編于星期五\22點受激輻射處于激發態的原子，在其發生自發輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足，原子就有可能從激發態E2躍遷至低能態E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態的光子。如圖1-3所示。這一過程被稱為受激輻射。

Lightorlaser無輻射躍遷E1E2hvE1E2hvhv圖1-3受激輻射示意圖當前第12頁\共有41頁\編于星期五\22點hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖

這種過程是在外界光子的刺激作用下發生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態等。即與外來光子具有完全相同的狀態。在受激輻射過程中，輸入一個光子，可以得到兩個狀態完全相同光子的輸出。并且這兩個光子可再作用于其他原子上，產生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。圖1-4就是受激輻射光放大的示意圖。受激輻射的特點：當前第13頁\共有41頁\編于星期五\22點（1）選擇具有適當能級結構的工作物質，在工作物質中能形成粒子數反轉，為受激輻射的發生創造條件；（2）選擇一個適當結構的光學諧振腔。對所產生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產生單向性、單色性、強度等極高的激光束；（3）外部的工作環境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產生。這些閾值條件大體包括：減少損耗，加快抽運速度，促進（粒子數）反轉等。像工作物質的混合比、氣壓、激發條件、激發電壓等等。Lightorlaser無輻射躍遷產生激光的必要條件：當前第14頁\共有41頁\編于星期五\22點

1.單向性極好：普通光源向四面八方發射能量，其能量分布在全空間4立體角內。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發散角很小，一般為10-5～10-8球面度。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴展為幾個厘米，而普通探照燈光束直徑則已經擴展為幾十米。激光的單向性是由受激輻射原理和諧振腔的方向選擇作用所決定的。激光這種良好的單向性可用于定位、測距、導航等。

激光的特性：當前第15頁\共有41頁\編于星期五\22點

2.單色性極強：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，單色性最好的氪燈（86Kr）的譜線寬度為4.7×10-3納米。而氦氖激光器發射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。若從多模激光束中提取單模激光，再采取穩頻技術措施，還可以進一步提高激光的單色性。利用激光良好的單色特性，可以作為計量工作的基準光源。例如，用單色、穩頻激光器作為光頻計時基準，它在一年內的計時誤差不超過1微秒，大大超過原子鐘的計時精度。圖1-5普通光源熒光光譜，譜線寬度約為：150nm600800400λnm熒光光譜當前第16頁\共有41頁\編于星期五\22點3.高亮度：光源亮度是指光源單位發光表面在單位時間內沿單位立體角所發射的能量，普通光源的亮度相當低，例如，太陽表面的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不一定很高，但由于光束很細，光脈沖窄，光功率密度卻非常大。圖1-6理想鎖模可獲得窄脈沖激光當前第17頁\共有41頁\編于星期五\22點

由于激光光源使光能量在時間和空間上高度集中，因此，能在直徑極小的區域內（10-3毫米）產生幾百萬度的高溫。從一個功率為1kw的CO2激光器發出的激光束經過聚焦以后，在幾秒鐘內就可以將5cm厚的鋼板燒穿。工業上利用激光高亮度的特性，在金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化等方面的應用近年來有很大的發展。當前第18頁\共有41頁\編于星期五\22點4.相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個厘米，而激光的相干長度則可以達到幾十公里，比普通光源大幾個數量級。因此也可以說激光具有非常好的相干性。用激光做光源進行光的干涉、衍射實驗，可以得到非常好的效果。另外，激光問世以來，推動了全息光學技術、激光光譜技術的發展。由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統光源的種種局限性，引起了現代光學應用技術的革命性發展。同時促進了包括化學、生物學、醫學、工業加工與檢測技術、軍事等科學的迅速發展。

當前第19頁\共有41頁\編于星期五\22點激光器的組成諧振腔工作物質激勵系統當前第20頁\共有41頁\編于星期五\22點實現粒子數反轉分布的條件：激勵源(泵浦或抽運)：用來實現和維持粒子數反轉。有電激勵，光激勵，熱激勵，化學激勵等

激勵--從外界吸收能量，使原子系統的原子不斷從低能態躍遷到高能態能級以實現粒子數反轉的過程（又稱“激發”、“抽運”或“泵浦”）。

1）光泵抽運如紅寶石激光器粒子數反轉狀態E1E2E1E2當前第21頁\共有41頁\編于星期五\22點2）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學反應如氟化氘激光器等。4）共振轉移如He--Ne激光器。--NeHe--NeHe--當前第22頁\共有41頁\編于星期五\22點三、諧振腔的結構與作用光腔的作用:

放大---使某一頻率的光多次往返傳播,激勵處于反轉狀態的工作物質,造成連鎖反應,以實現光放大.泵浦光輸出激光對激光100%反射有小部分激光透射選向---將傳播方向偏離光軸方向太多的光子淘汰掉,使得到的激光是一束方向性很好的光.選頻---反射鏡鍍上多層膜,膜厚度λ/4,使反射最強,形成穩定振蕩并不斷加強,得到單色性好的激光當前第23頁\共有41頁\編于星期五\22點諧振腔的選擇：衍射損耗模體積腔體鏡面的安裝典型的激光器諧振腔諧振腔的種類：平行平面腔同心球面腔共焦諧振腔長半徑球面腔半球型諧振腔平凹穩定腔非穩定腔當前第24頁\共有41頁\編于星期五\22點平行平面腔結構示意圖平行平面腔的優勢:模體積大;腔內激光輻射沒有聚焦現象平行平面腔的劣勢:鏡面調整難度高;衍射損耗高平行平面腔主要應用于高功率脈沖激光器!!平行平面腔當前第25頁\共有41頁\編于星期五\22點同心球面腔結構示意圖同心球面腔主要應用于連續工作的染料激光器泵浦激光器.同心球面腔的優勢:

衍射損耗低;易于安裝調整同心球面腔的劣勢:

模體積小;腔內產生光輻射聚焦現象同心球面腔當前第26頁\共有41頁\編于星期五\22點

共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應用于連續工作的激光器共焦諧振腔的性能介于平行平面腔與球面腔之間，其特點如下：

1）鏡面較易安裝、調整；2）較低的衍射損耗；3）腔內沒有過高的輻射聚焦現象；4）模體積適度；共焦諧振腔當前第27頁\共有41頁\編于星期五\22點

長半徑球面腔示意圖長半徑球面諧振腔適于連續工作的激光器長半徑球面諧振腔的性能介于共焦腔與球面腔之間，它的特點如下：

1）中等的衍射損耗；2）較易安裝調整；3）模體積很大；4）腔內沒有很高的光輻射聚焦現象；長半徑球面腔當前第28頁\共有41頁\編于星期五\22點半球型諧振腔半球型諧振腔主要應用于低功率氦氖激光器半球型諧振腔的特點：

易于安裝調整、衍射損耗低、成本低

半球型諧振腔當前第29頁\共有41頁\編于星期五\22點平凹穩定腔示意圖

平凹穩定腔一般應用與連續激光器；大多數情況下:R1

>2L平凹穩定腔的特點：

模體積較大且具有價格優勢平凹穩定腔當前第30頁\共有41頁\編于星期五\22點連續高功率二氧化碳激光器的非穩定諧振腔非穩定腔當前第31頁\共有41頁\編于星期五\22點光腔的損耗幾何損耗衍射損耗腔鏡反射不完全引起的損耗非激活吸收散射等其他損耗選擇性損耗，與橫模有關非選擇性損耗，與光波模式無關損耗的大小是評價諧振腔的一個重要指標，在激光振蕩中，光腔的損耗決定了振蕩的閾值和激光的輸出能量，也是腔模理論的重要研究課題.光學諧振腔的損耗當前第32頁\共有41頁\編于星期五\22點（1）幾何損耗：光線在腔內往返傳播時，可能從腔的側面偏折出去而引起損耗。

決定其大小的因素：腔的類型和幾何尺寸；（2）衍射損耗：腔鏡邊緣、插入光學元件的邊緣、孔徑及光闌的衍射效應產生的損耗。

決定其大小的因素：腔的菲涅耳數有關、腔的幾何參數有關、橫模的階數有關。(模的階次越高，衍射損耗越大，基模的衍射損耗最小)。當前第33頁\共有41頁\編于星期五\22點例子：當前第34頁\共有41頁\編于星期五\22點YAG激光器的腔體結構圖當前第35頁\共有41頁\編于星期五\22點

氦氖氣體激光器是四能級系統氖原子在間實現粒子數反轉分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發電子碰激發管壁效應自發輻射632.8nm共振轉移當前第36頁\共有41頁\編于星期五\22點四、激光模式的選擇振蕩模式是指能夠在諧振腔內存在的穩定的光波基本形式，用