第一章激基本原理

樊叔维 西安交通大学 电子与信息工程学院 Tel No.:82668781 E-mail: 绪论第一章 激光基本原理第二章 光学谐振腔与高斯光束第三章 电磁场与物质的相互作用第四章 激光振荡特性第五章 激光器特性的控制与改善光的波粒二象性光源的相干性光波模式与光子态受激辐射基本概念激光器基本知识光的波粒二象性光波光子光光波波 光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场的光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场的互相激发，形成变化的电磁场在空间的传播。互相激发，形成变化的电磁场在空间的传播。习惯上常把电矢量叫做光矢量；电矢量的振动方向习惯上常把电矢量叫做光矢量；电矢量的振动方向与传播方向垂直，因此，光播是一种横波。与传播方向垂直，因此，光播是一种横波。v0HE波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。光速：光速：频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数，频率和周期互为倒数频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数，频率和周期互为倒数电磁波谱882.998 10/3 10/cm sm s T1三者的关系三者的关系：在真空中：在真空中：各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同：各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同：0c)(0c波线：沿波的传播方向作的一些带箭头的线。波线的指向表示波的 传播方向。波阵面：在光波场中，光波相位相同的空间各点构成的面称为波阵 面，或等相位面，简称波面。波前：在任何时刻，波面有无数多个，最前方的波面即是波前。波前只有一个。波面与波线v球面波：波面为球面v平面波:波面为平面单色平面波：具有单一频率的平面波v准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽 度，如果满足 称为准单色波。波波线线波波阵阵面面波波线线波波阵阵面面v理想的单色平面波（简谐波）设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、的振动方程分别为:EBBE00coscos2EEtEt00coscos2BBtBt 两式统一写为：00coscos2UUtUt 其中，U为场矢量大小，代表 或 的大小，U0为场矢量的振幅。EB波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播：00coscos/UUtUtz c00coscos/UUtUtz c振动方程：0022coscosztzUUtUcTv简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为108 s，形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。分析：a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动；b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化；c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表不同时刻空间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/：2 kk波矢的大小（空间角频率）：平面波的复数表示法线偏振的单色平面波的复数表示：0it kzUU e0expUUitkz 或 复振幅 :模量 代表振幅在空间的分布：辐角(-kz)代表位相在空间的分布 0UUtiUUikzUUexpexp0光强：光强与光矢量大小的平方成正比，即 2)(cos112021120222UdtkztUTdtUTITTTT2UI hE 光子的能量与光波频率之间的关系：22/chmhmcE光子具有运动质量m:kknP20hmc光子的动量P:光子具有两种独立的偏振状态光子的集合服从玻色爱因斯坦统计规律光子光的波粒二象性光源的相干性光波模式与光子态受激辐射基本概念激光器基本知识光源的相干性相干性时间相干性空间相干性光源的相干性 不同时刻或不同空间位置的光场之间的相关性。若两束光在空间某一点叠加，若可以形成干涉条纹，则两束光相干，否则为非相干光；相干性时间相干性空间相干性ABCDS光源光源S的光场中的光场中,时间、时间、空间相干性的关系空间相干性的关系光源的相干性)(sin)()(022022020cttititcdteeEtEFIc经傅立叶变换，可以得到光源频谱：其它00)(020ctitteEtE光传播方向上，任一点光场可以表示为：ct时间相干性某一空间点在不同时刻光波场之间的相干性；（原子发光波列持续的时间）光源的相干性-时间相干性示波器上观察(时域）光谱分析仪上观察(频域）v结论 相干时间越长，谱线线宽越窄；单色性越好，相干性越好；频谱线宽ct1光源频谱图 0 oII0I0/2 谱线宽度谱线宽度光源的相干性-时间相干性激光光源的单色性 实际情况 理论 激光辐射带宽光源的相干性-时间相干性光源的相干性-时间相干性v 横向空间相干性cA在垂直于光传播方向的平面上不同空间点光波场之间的相干性某一时刻不同空间点光波场之间的相干性:纵向相干性横向相干性cctlcc相干长度、相干时间、频谱线宽的关系：clv 纵向空间相干性 （原子发光的波列持续的长度）光源的相干性空间相干性杨氏双缝实验*光源光源1s2s 光源光源的相干性空间相干性托马斯杨像Thomas Young (1773-1829)光源的相干性空间相干性 英国医生兼物理学家.于1801年首先成功地进行了光干涉实验.证实了光的波动理论。托马斯.杨从小聪慧过人，博览群书，17岁时就已精读过牛顿的力学和光学。因牛顿反对波动说，并且当时光的波动理论本身还存在许多不足之处。所以光的微粒说在百年中占了上风。杨的理论在当时没有得到公正的评价，直到法国物理学家菲涅尔用严密的数学理论将杨的干涉原理和惠更斯原理结合起来，托马斯.杨的理论的重要性才为人们所理解。面对牛顿如日中天的气势，杨勇敢地说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并非因此得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”托马斯.杨简介光源的相干性空间相干性cAv横向空间相干性)()(12221121PSPSPSPS杨氏双缝实验示意图由光源S照明的双缝P具有明显的相干性的条件为：可以证明，当Da+b时，有：DabDabDPSPS2)()(221221221DabDPSPS2)(22211及光源的相干性横向空间相干性令：可以得到：22)2()2(aAbAsc、22DAAscscADA22csADA22光源的相干面积：scADA22结论：当光源面积一定时，距光源D处，在与光的传播方向垂直的、面积小于：cA的平面范围内的光场具有相干性，称为相干面积光源的相干性横向空间相干性ASAccVccclAV 定义：相干面积与相干长度的乘积为相干体积，即：ccsADccADV2222光源的相干体积：csclADV22clcsscADccADV2222由：可以得到：scADA22光源的相干性横向空间相干性光的波粒二象性光源的相干性光波模式与光子态受激辐射基本概念激光器基本知识光波模式与光子态 光波模式光子态 光波模式和光子态的等价关系光波模式、光子态与相干性的关系单色平面波：存在谐振腔内的一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波，称为光波的模式；)2(0),(rkrEtieEtv 光波模式概念光波模式与光子态 光波模式 一种模式是电磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模式。v一维腔体内的光波模数：一维腔体内的光波模数：长度为长度为L满足驻波的条件：满足驻波的条件：Lmk/在在 k 空间模密度为：空间模密度为：在波矢平面内，波矢长度在在波矢平面内，波矢长度在 范围内的总的模数为：范围内的总的模数为：dkkkdcLMdcdkLdkM422单位频宽、单位腔长模密度为单位频宽、单位腔长模密度为cvM/4)(v考虑二维腔体内的光波模数：考虑二维腔体内的光波模数：长度为长度为L 的正方形的正方形满足驻波的条件：满足驻波的条件：Lmky/Lnkz/在在 k 空间模密度为：（空间模密度为：（在波矢平面内，波矢半径在在波矢平面内，波矢半径在 范围内的总的模数为：范围内的总的模数为：光波模式与光子态 光波模式dkkk单位频宽、单位腔面积的模密度为单位频宽、单位腔面积的模密度为2/4)(cvvMdLcMdcdkLdkcLkdkLdkkM22222422)()2(412v 求解体积V内的模式数目在体积 内，沿三个坐标轴方向传播的波应分别满足驻波条件：其中，m,n,q为非负整数且不全为零222qznymx、zyxVqzknykmxkzyx,波矢k的三个分量应满足：Vzyxkkkzyx33每个波矢在波矢空间占据体积元：在波矢空间中，每一波矢在三个坐标轴方向与相邻波矢的间隔为：zkykxkzyx,波矢空间内，数值大小在kk+dk内的光波矢所占的体积为：dkkdkk2221481光波模式与光子态 光波模式 每个光波矢在波矢空间所占有的体积元VdkkVdkkM22/121232在此体积内，光波矢量模数为：ck/2式中：dcdk2由于VdcM324因此，空腔体积V内，处于频率 内的波矢数为：dVdcM328光波模式数为：kk+dk 区间内的光波矢量在波矢空间所占的体积光波模式与光子态 光波模式光波模式与光子态 光波模式光子态 光波模式和光子态的等价关系光波模式、光子态与相干性的关系光子态光子态 hpxx3hpppzyxzyx测不准关系：一维运动情况：三维运动情况：相格：同一个光子态占有的相空间体积元为：3hpppzyxzyx光波模式与光子态光子态相空间：光子的状态可以用它的坐标和动量来描述。用广义笛卡儿坐标x,y,z,Px,Py,Pz所支撑的六维空间来描述质点的运动状态。这种六维空间称为相空间。zyxppphzyx3一个所相格占有的空间体积为：结论：结论：同一相格中的光子运动状态无法区分，同一相格中的光子运动状态无法区分，它们属于同一光子态。它们属于同一光子态。相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部的对应位置。因此微观粒子和宏观质点不同，它的运动状态在相空间中不是对应一点而是对应一个相格。这表明微观粒子运动的不连续性zyxzyxkkkhppp33)(3zyxkkkzyx3hpppzyxzyxzyxikhkhPiii,22则每个光波模式在 轴上的线度为：zyxppp、zyxikhPii,2kP2h由光子动量与光波矢量间的关系：可以得到，每个波矢量在相空间沿 轴方向的线度为：zyxppp、Vzyxkkkzyx33每个波矢在波矢空间占据体积元：结论：结论：一个光波模式一个光波模式 一个光子态一个光子态。设在立体角 内的光子可产生相干，则：很小时，chpppyxchppzDb2zyxppphzyx3sccVADcADczyx22223扬氏双缝干涉2323DcAhpppczyx则：属于同一光波模式的光波以及同一光子态的光子在三维的空 间坐标系中所占的体积是相等的，等于光源的相干体积 属于同一光波模式的光波或同一光子态的光子是相干的，属于不同光波模式的光波或不同光子态的光子是不相干的 具有相干性的光波场的强度（相干光强）在相干光的技术应用中，是具有相干性的光波场的强度（相干光强）在相干光的技术应用中，是一个重要的参量。一个重要的参量。一个好的相干光源，应具有：一个好的相干光源，应具有：尽可能高的相干光强尽可能高的相干光强10、缩小光源线度、缩小光源线度足够大的相干面积足够大的相干面积足够长的相干时间足够长的相干时间增大相干面积和相干时间的方法：增大相干面积和相干时间的方法：20、加光阑以减小、加光阑以减小 x30、远离光源等办法、远离光源等办法相干光强减小。相干光强减小。出现问题：出现问题：scADA22ccsADccADV2222光子的能量：光子的能量：具有相同频率（波矢）的光子数目越多，则光的能量越大，光的强度越强。具有相同频率（波矢）的光子数目越多，则光的能量越大，光的强度越强。处于同一光子态的光子的数目称为光子简并度。处于同一光子态的光子的数目称为光子简并度。光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大光子的简并度光子的简并度hE 光的强度：光的强度：其中：其中：n是频率为是频率为v的光子密度的光子密度cnhI=同一光子态光子个数同一光子态光子个数=处于相干体积内的光子数处于相干体积内的光子数=处于同一相格内的光子数。处于同一相格内的光子数。=同一模式内的光子数同一模式内的光子数光子简并度光子简并度 相干光强是描述光的相干性的重要参量之一。相干光强是描述光的相干性的重要参量之一。光子简并度决定了相干光的强度光子简并度决定了相干光的强度光的波粒二象性光源的相干性光波模式与光子态受激辐射基本概念激光器基本知识光的受激辐射基本概念黑体辐射的普朗克公式自发辐射、受激辐射、受激吸收爱因斯坦系数之间的关系受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式黑体黑体 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体 绝对黑体模型黑体辐射黑体辐射 处于某一温度T的热平衡状态下的黑体，它所吸收的能量应该等于它所辐射的能量，即黑体与辐射场之间应处于能量的热平衡状态，这种热平衡导致腔内存在完全确定的辐射场，该种辐射场称为黑体辐射受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式维恩经验公式:问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式:),()(TfTuTCeCTu251)(瑞利-金斯经验公式:TCTu43)(“紫外灾难紫外灾难”维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金斯公式明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体金斯公式明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式o实验值/m)(0TM维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式普朗克将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利普朗克将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式结合起来金斯公式结合起来，并提出谐振子的能量的量子化，得到了普朗克公式。并提出谐振子的能量的量子化，得到了普朗克公式。能量子假说：能量子假说：1.1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射 和吸收辐射能。和吸收辐射能。2.2.这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是某一最小能量某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：（称为能量子）的整数倍，即：,1,2,1,2,3,.3,.n n.n n为正整数，称为为正整数，称为量子数。量子数。对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为：的谐振子最小能量为：h能量能量量子量子经典经典受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式 黑体辐射的普朗克公式dvddEuV单色辐射能量密度 ：辐射场中单位体积内，频率在 附近的单位频率间隔中的辐射能量:u玻尔兹曼常数CJk0/1038.123 根据普朗克的辐射能量量子化假说辐射能量量子化假说，在温度为 T 的热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量为：1kThehE绝对黑体模型VdcM328光波模式数为：单色模密度：328cVdMm黑体辐射的单色能量密度：118183332kThkThechehcmEu黑体辐射的普朗克公式总辐射能量密度:duu0受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式1181183233kThkThechechu光子的能量光子的能量模密度模密度每个模的平均光子每个模的平均光子数数1、普通光源的简并度、普通光源的简并度单色模密度：328cVdMm黑体辐射的单色能量密度：118183332kThkThechehcmEu每种模式的平均光子数每种模式的平均光子数：11kThen如：如：=1 m,T=300K时，时，2110 n3102.8 n=1 m,T=3000K时，时，受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式=1 m：则则T20000K！1 n2、激光的简并度、激光的简并度如：如：HeNe激光器，设其单模发射功率激光器，设其单模发射功率P=1mW,c=1.3 10-4s1183464310410310626.6106328.0103.110 n由上式可得：由上式可得：hvPnc hcPc 到目前为止还没有发现到目前为止还没有发现 的普通光源的普通光源1 n =0.5 m,T=3000K时，时，510 n受激辐射基本概念-黑体辐射的普朗克公式受激辐射基本概念-光的受激辐射基本概念黑体辐射的普朗克公式自发辐射、受激辐射、受激吸收爱因斯坦系数之间的关系自发辐射爱因斯坦从光量子概念出发提出，黑体辐射，实际上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结果这种相互作用应包含原子的自发 辐射、受激辐射、受激吸收处于高能级E2的原子自发地向E1跃迁，并发射一个能量为的光子的过程；12EEhv自发辐射h E2E1特点：原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关；光的振动方向、偏振方向、相位都不一定相同，为非相干光;自发跃辐射迁几率 ：单位时间内 个高能态 原子中自发跃迁的原子数与 的比值，表示为：21A2n221211ndtdnAsp2n与原子在能级 上的平均寿命 的关系；2Es21A平均寿命 ：E2能级上的粒子密度因自发辐射衰减至t=0时刻的1/e所用的时间为E2能级的平均寿命.ssA121自发跃迁爱因斯坦系数自发辐射与原子在能级 上的平均寿命 的关系；2Es21A由此可得：tAentn21)0()(22)()(221212tnAdtdndttdnsp单位时间内能级E2所减少的粒子数为平均寿命 ：E2能级上的粒子密度因自发辐射衰减至t=0时刻的1/e所用的时间为E2能级的平均寿命.s则由：221)0()0()(222ttAenentnsA121自发跃迁爱因斯坦系数自发辐射 v 受激吸收uBW1212112121ndtdnWst受激吸收几率 ：12W受激吸收与辐射场 的关系：u受激吸收爱因斯坦系数处于低能态E1的原子吸收能量为hv=E2-E1的光子，从低能级跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收。h E2E1特点：不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”才会产生外来光子必须符合hv=E2-E1的条件。受激吸收v受激辐射受激辐射 原子因受外来光子的刺激而从高能级状态向低能级状态跃迁并辐射光子的过程，称为受激辐射。h E2E1h h 特征：不是自发产生的，必须有外来光子的刺激，且外来光子的频率必须满足hv=E2-E1的条件；受激辐射出的光子与外来刺激的光子在频率、发射方向、相位及偏振状态等方面完全相同，为相干光；uBW2121221211ndtdnWst受激辐射爱因斯坦系数受激辐射跃迁的几率：受激辐射跃迁与辐射场 的关系：u在一个入射光子的作用下，获得大量的状态完全相同的光子，即形成了光放大。激励受激辐射自发辐射受激辐射的相干性 在热平衡状态的标志：1exp1833kThchu 辐射场可表示为：kTEEggnn121212exp 腔内原子数按照能级分布服从热平衡下的波尔兹曼分布：ststspdtdndtdndtdn122121 在热平衡状态下，n1（n2）应保持不变：爱因斯坦系数之间的关系 或或：uBnuBnAn1212122121exp1exp8221112212133kThgBgBABkThhc由上面三式，可以得到：211222111221BBgBgBgg 得到：hmchBA3321218 及：爱因斯坦系数之间的关系自发辐射光功率与受激辐射光功率受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为：uhcAuBAtnhuBtnhtptp3321212122128)()()(自发受激）（某时刻自发辐射的光功率体密度:212)()(Atnhtp自发同理，受激辐射的光功率体密度:uBtnhtp212)()(受激对于平衡热辐射光源:则有：118)()(33kTheuhctptp自发受激11833kThechu以温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为500nm例：20000111)()(kThetptp自发受激普通光源在红外和可见光波段为非相干光源v若要获得单色光源，须提高单色能量密度:打破热平衡；采用谐振腔若在 处，使 要求黑体温度达50000K.m1)()(tptp自发受激自发辐射光功率与受激辐射光功率光的波粒二象性光源的相干性光波模式与光子态受激辐射基本概念激光器基本知识激光基本知识激光产生的基本原理激光产生的必要条件激光器结构激活粒子的能级系统 激光产生的基本原理 激光是通过受激辐射实现光放大，即要使受激辐射超过吸收和自发辐射.在常温条件，且对激活物质无激励的情况下,粒子分布服从玻尔兹曼能量分布律:kTEEeNN)(1212 热动平衡下，N2N1，即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数粒子数的正常分布.受激辐射占支配地位粒子数反转高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数受激辐射产生大量相干的光子，形成激光。实现粒子数反转的条件：要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有适 当的能级结构；必须从外界输入能量（激励或泵浦），使工作物质 中尽可能多的粒子处于激发态。激励方法：光激励、电激励、化学激励工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转激光产生的必要条件粒子数反转激光产生的必要条件粒子数反转 正常粒子状态粒子数反转状态正常粒子状态与粒子数反转状态对比示意图激光产生的必要条件粒子数反转激光产生的必要条件粒子数反转 激光器基本结构示意图激光工作物质、激励源、光学谐振腔、输出耦合激光器结构激光器结构激活粒子可以为分子、原子激活粒子可以为分子、原子 、离子等、离子等；按照激光器类型的不同，激活物质可以按照激光器类型的不同，激活物质可以为液体、气体、固体、等离子体形态；为液体、气体、固体、等离子体形态；通过激励，激活物质可以处于粒子数反通过激励，激活物质可以处于粒子数反转状态；并且可通过受激辐射产生电磁转状态；并且可通过受激辐射产生电磁辐射；辐射；激活物质决定了激光器可能发射的波长激活物质决定了激光器可能发射的波长激活物质以及为激活物质提供寄存场所的基质统称为激光的工作物质激光器结构激光器结构 激励源提供能量给激活物质，使之达到激发态并实现粒子数反转。主要激励方法：光泵浦一般用于固体及液体激光器的泵浦光泵浦：普通光源，如氙灯、氪等、氦灯 另外的激光器光源气体放电激励:气体放电激励一般用于气体激活物质化学激励二极管激光器的电流激励激光器结构激光器结构激光二极管直接端面泵浦示意图侧面泵浦二极管泵浦固体激光器激光器结构激光器结构侧面泵浦激光棒示意图激光器结构激光器结构v 光学谐振腔 v输出耦合 输出耦合是使电磁辐射输出激光器的方法光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。激光光束全反射镜部分透光反射镜激励能源激光器结构激光器结构 v三能级系统 下能级：E E1 1 亚稳态：E E2 2 暂稳态：E E3E3E1E2抽运抽运激励激励E1与E3构成一个宽吸收带，经泵浦，粒子由E1跃迁到E3E3上的原子无辐射跃迁到E2W21W12A21E2与E1之间形成粒子数反转状态三能级激光系统能级图示意图激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统 亚稳态：E E2 2 下能级：E E1 1 暂稳态：E E3 3 基 态：E E0 0 四能级系统的优势：极易形成粒子数反转四能级激光系统能级图示意图W21W12A21E0E3E2E1激励激励抽运抽运激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统四能级系统较三能级系统之不同：三能级系统的下能级为基态；四能级系统的下能级为基态上的一个能级；具有四能级系统的激光器较具有三能级系统的激光器的优势：效率高；所需的泵浦等级低；可能实现连续运行；激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统固体激光器气体激光器半导体激光器染料激光器化学激光器光纤激光器自由电子激光器典型激光器激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长气体激光器固体激光器半导体激光器液体激光器自由电子激光器.红外可见光近紫外真空紫外X光.连续激光器脉冲激光器重复脉冲激光器模式可调激光器.光激励电激励化学激光器.典型激光器固体激光器 固体激光器以绝缘晶体或玻璃为工作物质，其泵浦方式普遍采用光泵激励.具有结构紧凑、坚固耐用、工作方式多样的特点（可在连续、脉冲、调Q、锁模下工作）气体放电灯激励：氙灯、氪灯、碘钨灯放电灯的发射光谱覆盖很宽的波长范围，其中只有与激光工作物质吸收波长相匹配的波段才可以有效的用于光激励，因此效率很低。半导体激光二极管激励：端面泵浦、侧面泵浦1转换效率高2性能可靠、寿命长、稳定性好3输出光束质量好：高的泵浦效率，减少了热透镜效应；典型激光器-固体激光器泵浦系统包括泵灯（常用氙灯和氪灯）和聚光器（或称泵浦腔）两部分组成，储能电容和高压充电电源供给氙灯电能，触发电路的作用是产生上万伏的高压，帮助点燃氙灯。气体放电灯激励固体激光器示意图典型激光器-固体激光器激光二极管直接端面泵浦示意图典型激光器-固体激光器侧面泵浦二极管泵浦固体激光器侧面泵浦激光棒示意图典型激光器-固体激光器 工作物质红宝石激光器以掺杂离子型绝缘晶体红宝石棒为工作物质。红宝石激光晶体是以刚玉单晶为基质，掺入金属铬离子CrCr+3+3为激活粒子所组成的晶体激光材料。呈淡红色。v红宝石激光器 红宝石激光器是世界上最早实现激光输出的器件，输出波长为694.3nm（红光），具有输出功率大、峰值功率高、结构简单等特点，目前主要在激光测距、材料加工、光谱学等方面应用。能及系统：三能级典型激光器-固体激光器v红宝石激光器典型激光器-固体激光器红宝石激光器的能级 激励方式：光激励一般采用发光效率较高的脉冲氙灯。在红宝石晶体中，CrCr+3+3的吸收带有两个，分别在410nm和560nm波长附近，吸收带宽度约为100nm波长左右。绿光蓝光激励激励694.3nm692.7nmE3E2E1典型激光器-固体激光器第一台红宝石结构示意图第一台红宝石结构示意图 典型激光器-固体激光器典型激光器-固体激光器红宝石突出的缺点是阈值高；性能易随温度变化；红宝石突出的缺点是阈值高；性能易随温度变化；机械强度高机械强度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长亚稳态寿命长,储能大储能大,可得到大能量输出可得到大能量输出;红宝石激光器输出的红光红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见不仅能为人眼可见,而且很容易被探而且很容易被探测接收测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此因此,红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。红宝石在激光发展上是贡的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体献比较大的一种晶体红宝石工作物质的特点：工作物质为在基质中掺入少量NdNd+3+3 离子做为激活离子三种发展较为成熟的基质：玻璃（Glass）：可作为大功率脉冲激光器的激活物质的基质 钇铝石榴石（YAG：Yttrium Aluminum Garnet)晶体 氟化钇锂（YLF：LiYF4)晶体以以NdNd+3+3 离子为激活离子的钕激光器是应用最为广泛的激光器（在激光制导、激光测距、材料加工、激光生物学、激光核聚变等领域）。钕激光器工作物质典型激光器-固体激光器v钕玻璃工作物质的特点：钕玻璃工作物质的特点：钕玻璃激光器的工作物质质优、价廉;易于加工成光学性能优良的所需要的大尺寸的盘状或棒状（直径可大0.5m，长度达几米）可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多;钕玻璃激光器多模输出，易于作成锁模激光器Nd3+的浓度为31020/cm3钕玻璃热导率低，振荡阈值较高，因此不宜于连续和高重复率运转,在应用时要特别注意防止工作物质本身的破坏;典型激光器-固体激光器v钕玻璃工作物质：钕玻璃工作物质：典型激光器-固体激光器(Nd3+:YAG)掺钕钇铝石榴石晶体特点1.热传导率远高于掺钕玻璃，振荡阈值较低，适于连续工作；2.Nd3+的密度可达1.381020cm-3,颜色为淡紫色3.熔点较高，为1970，能承受较高的辐射功率4.荧光量子效率高，一般大于0.995，接近1，是目前固体激光器中较理想 的工作物质。5.掺钕钇铝石榴石晶体加工质量要求极高，可以达到的尺寸是直径大约2-15 mm、长度大约 2-30 cm；6.钕钇铝石榴石晶体的成本极高，原于它极其缓慢、复杂的生长过程；能级系统：四能级典型激光器-固体激光器Nd3+:YAG的激活离子为的激活离子为Nd3+,基质是基质是YAG晶体晶体(钇铝石榴石晶体钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称的简称)典型激光器-固体激光器掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）NdNd+3+3：YAG晶体中，NdNd+3+3吸收带分别在525nm、585nm、730nm、810nm和870nm附近。每个带宽约为30nm，其中730nm和810nm两个吸收带最为重要。YAG激光器多采用连续氪灯或碘钨灯作为泵浦光源。在750nm和810nm处有极强的发射谱线，这正好与NdNd+3+3的吸收带相匹配，是目前连续NdNd+3+3：YAG激光器件较理想的匹配光泵。泵浦系统激励激励E4E3E2E11.06um典型激光器-固体激光器v钛宝石激光器钛宝石激光器：是一种可调谐固体激光器，在660至1180nm波长范围内可连续可调,多波长输出稳定可靠应用范围：实用于激光光谱学、光化学、光生物学、分析和诊断 等领域典型激光器-固体激光器v氦氖激光器在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久，于1961年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。特点：氦氖激光器的光束方向性和单色性好，可以连续工作 主要用在全息照相、精密测量、准直、定位等方面。气体激光器工作物质以气态形式存在，泵浦方式多为气体放电激励。氦氖激光器的典型结构示意图典型激光器-气体激光器氦氖激光器能级图E4E2E5E1E3HeE5E3激发态氦原子与基态氖原子发生共振能量转移放电激励放电激励Ne氖原子被激发至激发态632.8nm3.391um1.512um自发辐射无辐射跃迁典型激光器-气体激光器氦原子并不产生受激辐射，它的作用是提高泵浦效率氦原子的两个重要特性使其极具价值：（1）直接激发氖原子效率很低，而直接激发氦原子的效 率很高；（2）处于激发态的氦原子具有与激发态的氖原子极其接近的能级（E5)典型激光器-气体激光器 氦原子的激发分两步完成：（1）在一定的放电条件下，阴极发射的电子加速向阳极运动，这些电子与基态的氦原子相碰撞，将动能转移给它们使之激发至激发态；(2）激发态的氦原子与基态的氖原子发生碰撞时，产生共振能量转移，使大量的氖原子处于激发态；共振能量转移碰撞截面随对应激发态能量差的减小而急剧增加.由此可见，氦原子参与激光跃迁，激光跃迁只发生于氖原子的个能级间，它的作用是极大地提高泵浦效率，可提高200倍！典型激光器-气体激光器 氦氖激光器可发射多条谱线，其中较为常用的为处于 可见光谱区 域的632.8nm的激光 问题：632.8nm与3.39um的谱线具有相同的上能级，3.39um谱线的激射将导致632.8nm激光功率 下降或不激射解决方法：（1）在谐振腔镀对632.8nm谱线的高反膜 （2）借助腔内棱镜色散，使3.39um谱线不起振；（3）或在腔内插入对3.39um谱线强吸收的元件，如 甲烷吸收盒典型激光器-气体激光器 二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，工作方式：可以实现连续、脉冲两种工作方式。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。工作物质:CO2、N2、He的混合气体：CO2 分子的两个振动-弯曲能级之间产生激光跃迁 N2 的作用是提高激励效率；He 的作用是有助于激光下能级的抽空；典型激光器-气体激光器对称振动弯曲振动反对称振动 CO2是线对称排列的三原子分子，三原子以三种方式相对振动，每种振动方式存在一组相应的能级；典型激光器-气体激光器亚稳态氮分子与基态CO2分子发生共振能量转移放电激励放电激励E1N2CO2CO2分子被激发至激发态10.6um9.6um无辐射跃迁无辐射跃迁典型激光器-气体激光器放电管中通过电流时，被加速电子的能量 N2 的作用是提高激励效率：基态N2 和电子碰撞后跃迁至亚稳态，然后与基态CO2,发生共振能 量转移，从而提高激励效率。He的作用：（1）有助于激光下能级的抽空；（2）对CO2 有冷却作用；碰撞N2分子CO2分子典型激光器-气体激光器 可调染料激光器结构示意图泵浦激光器泵浦源激光波长可调谐输出染料池波长调谐系统输出镜反射镜典型激光器液体激光器液体激活物质液体激活物质激射波长大部分位于可见光谱激射波长大部分位于可见光谱光激励光激励通常由另一激光器激励通常由另一激光器激励可做可做脉冲方式或连续方式运转脉冲方式或连续方式运转四级能量系统四级能量系统可调激光器可调激光器典型激光器液体激光器光栅光栅-反射镜调谐腔反射镜调谐腔典型激光器液体激光器棱镜调谐腔典型激光器液体激光器染料激光器的优势可通过改变作为激活物质的染料、浓度等调节输出波长；液体染料可以带走激光辐射产生的热量，使激光冷却系统简单化；由于染料具有较宽的频带，通过锁模可以得到超短、超窄的激光脉冲，可以达到6fs；染料激光器的劣势 泵浦需另外的激光器，使其结构复杂；染料寿命短，随时间质量变差，须更换；潜在的有毒污染源染料激光器的应用光谱学研究、激光化学、激光医学 在医学领域：消除肿瘤、光动态诊断、消除肾结石典型激光器液体激光器光波模式数、光子状态、相格空间体积、相干体积、相干性光波模式数、光子状态、相格空间体积、相干体积、相干性 概念、相互关系及相关公式推导概念、相互关系及相关公式推导黑体辐射的黑体辐射的Planck公式公式光子简并度光子简并度概念概念自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射、受激吸收、受激辐射 含义、特点、相互区别、含义、特点、相互区别、相互关系相互关系受激辐射的相干性受激辐射的相干性爱因斯坦三系数爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论的相互关系及所得结论第一章概要第一章概要