应用光电第二讲

2022-12-11 光的非相干叠加光的非相干叠加其中所以或)cos(21020201022021020EEEEEI0)cos(102022021020EEEI21III 1 2 E0E10E20第二章第二章 光的基本性质光的基本性质 2.3.2 2.3.2 光的叠加光的叠加2022-12-12 相干光的条件相干光的条件综上所述综上所述：我们把能产生相干叠加的两束光称为：我们把能产生相干叠加的两束光称为相干光，相干叠加必须满足相干光，相干叠加必须满足振动频率相同，振动振动频率相同，振动方向相同，相位差恒定的条件。方向相同，相位差恒定的条件。),2,1,0(),2,1,0()12(2kkkk)cos(210202121IIIII干涉相长干涉相消若21II 2cos4)cos1(2211III第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-13 当具有当具有相同频率和振动方向相同频率和振动方向、具具有相同相位或固定相位差有相同相位或固定相位差的光波的光波相遇时，在相遇的区域内产生干相遇时，在相遇的区域内产生干涉现象。涉现象。光波的干涉可以这样来描述：两光波的干涉可以这样来描述：两列光波在空间相遇，叠加波形成列光波在空间相遇，叠加波形成有规律的光强分布的现象有规律的光强分布的现象。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质 2.3.2.1 光波的干涉光波的干涉2022-12-14p1s2ssxooBd1r2rDr）杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-15S1S2Sd第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-16 光在传播时会绕过障碍光在传播时会绕过障碍物，或者在障碍物后的物，或者在障碍物后的几何阴影区光波的强度几何阴影区光波的强度会有起伏，这便是光的会有起伏，这便是光的衍射现象衍射现象 至于为什么在平时日常至于为什么在平时日常生活中少见衍射现象，生活中少见衍射现象，这是因为这是因为只有当障碍物只有当障碍物尺寸同光波长相近时，尺寸同光波长相近时，才会发生明显的衍射现才会发生明显的衍射现象。象。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质 2.3.2.2 光波的光波的衍射衍射2022-12-17单缝衍射图样：单缝衍射图样：第二章第二章 光的基本性质光的基本性质明暗相间且不等距条纹（中央亮纹）明暗相间且不等距条纹（中央亮纹）2022-12-18 2.3.3 光的相干性光的相干性 1.1.普通光源的发光机理（非激光光源）普通光源的发光机理（非激光光源）处于激发态的原子（或分子）的处于激发态的原子（或分子）的自发辐射自发辐射.原子发射的光波原子发射的光波是一段是一段频率一定、振动方向一定、有限长的光波（通常称为光波列）频率一定、振动方向一定、有限长的光波（通常称为光波列）第二章第二章 光的基本性质光的基本性质 =(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长L=c独立独立(不同不同原子发的光原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)普通光源中，各个原子的激发和辐射参差不齐，是一种随机过程2022-12-19普通光源是光的自发普通光源是光的自发辐射。辐射。特点：多波长、任意特点：多波长、任意方向、不相干。方向、不相干。普通光源向四面八方普通光源向四面八方辐射辐射,光线分散到光线分散到4 4 球球面度的立体角内面度的立体角内.第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-110单色光单色光具有单一频率的光波称为单色光。具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。的强度是不同的。2 2 20I0I波长所对应的波长范围越窄，光的波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好单色性越好谱线宽度：通常用强度下降到20I的两点之间的波长范围 谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-111波列长度与光源谱线宽度成反比波列长度与光源谱线宽度成反比，即光源的单，即光源的单色性好，光源的谱线宽度就小，波列长度就长。色性好，光源的谱线宽度就小，波列长度就长。()I I2I0 单色性越好，相干性就越好单色性越好，相干性就越好ccL 第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-112相干光波：相干光波：频率相同、振动方向一致、相位差恒定的两束光波。频率相同、振动方向一致、相位差恒定的两束光波。相干长度：相干长度：沿传播方向的相干长度沿传播方向的相干长度 。相干面积：相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积垂直于光传播方向截面上的相干面积 。相干体积：相干体积：空间体积空间体积 内各点的光波场都具有明显内各点的光波场都具有明显 的相干性，则的相干性，则 为相干体积。为相干体积。cVcVcccVA L 光光的相干性讨论的相干性讨论第二章第二章 光的基本性质光的基本性质描述时间相描述时间相干性的等效干性的等效物理量：物理量：相干时间相干时间：c相干长度相干长度：cL谱线宽度谱线宽度：1ccLcc描述空间相描述空间相干性的等效干性的等效物理量：物理量：cLcA2022-12-113 1 1空间相干性空间相干性:波场中不同点在同一时刻光波场特波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。的独立性。实际上，光源总是有一定宽度的，我们可以把实际上，光源总是有一定宽度的，我们可以把它看成是很多线光源构成的，这些间隔很小的它看成是很多线光源构成的，这些间隔很小的线光源在屏幕上各自形成靠得很近的干涉花样，线光源在屏幕上各自形成靠得很近的干涉花样，这些干涉花样的非相干叠加，使总的干涉花样这些干涉花样的非相干叠加，使总的干涉花样模糊不清，甚至会使干涉条纹的可见度降为零。模糊不清，甚至会使干涉条纹的可见度降为零。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。相格空间体积等于光源的相干体积。2022-12-1142 2时间相干性时间相干性:波场中同一点不同时刻光波场特性波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。性。光源时间相干性的好坏决定于其光源时间相干性的好坏决定于其单色性单色性，因，因为光源的单色程度决定干涉条纹的最大光程为光源的单色程度决定干涉条纹的最大光程差差 ，即所说的相干长度。，即所说的相干长度。max：两列波能发生干涉的最大光程差，也：两列波能发生干涉的最大光程差，也就是就是波列长度波列长度。越大，相干性越好。越大，相干性越好Lmax光学中，原子光学中，原子发光的持续时发光的持续时间，称为相干间，称为相干时间，相应波时间，相应波列的长度列的长度L称为称为相干长度相干长度 第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-115相干长度：单色性越好，相干长度越长相干长度：单色性越好，相干长度越长 普通光源普通光源几厘米几厘米 激光可达激光可达10105 5千米千米第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-116第二章第二章 光的基本性质光的基本性质 光的空间相干性和时间相干性是不能严格分割的，光的空间相干性和时间相干性是不能严格分割的，例如在杨氏实验中，考察屏幕上离中心点较远位例如在杨氏实验中，考察屏幕上离中心点较远位置处的干涉条纹时，不仅涉及空间相干性问题，置处的干涉条纹时，不仅涉及空间相干性问题，也出现时间相干性问题。也出现时间相干性问题。我们通常所说的光源主要可以分为两大类：普通光我们通常所说的光源主要可以分为两大类：普通光源和激光光源。源和激光光源。而对于普通光源来说，它们产生波列的频带很宽，而对于普通光源来说，它们产生波列的频带很宽，单色性很差，所以时间相干性也很差。单色性很差，所以时间相干性也很差。普通光源不作为相干光源。普通光源不作为相干光源。2022-12-117具有相干性的光波场的强度（相干光强），相具有相干性的光波场的强度（相干光强），相干光强是描述光的相干性的参量之一。从相干干光强是描述光的相干性的参量之一。从相干性的光子描述出发，性的光子描述出发，相干光强决定于具有相干相干光强决定于具有相干性的光子的数目性的光子的数目。光子简并度：处于同一光子状态的光子数目。用光子简并度：处于同一光子状态的光子数目。用 表示。表示。n相干光强与光子简并度的关系：相干光强的大小取决于光相干光强与光子简并度的关系：相干光强的大小取决于光子简并度的大小，光子简并度越大，则相干光强越大。子简并度的大小，光子简并度越大，则相干光强越大。o 光子简并度光子简并度具有以下几种相同的含义：同态光子数、具有以下几种相同的含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、同一模式内的光子数、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。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质 2.4光子简并度光子简并度2022-12-118 一个好的相干光源，应具有尽可能高的相干光一个好的相干光源，应具有尽可能高的相干光强、足够大的相干面积和足够长的相干时间。强、足够大的相干面积和足够长的相干时间。对于普通光源来说，增大相干面积、相干时间对于普通光源来说，增大相干面积、相干时间和增大相干光强是矛盾的。为了增大相干面积和增大相干光强是矛盾的。为了增大相干面积和相干时间，将导致相干光强的减弱。这正是和相干时间，将导致相干光强的减弱。这正是普通光源给相干光学技术发展带来的限制。而普通光源给相干光学技术发展带来的限制。而激光器却是一种把光强和相干性统一起来的强激光器却是一种把光强和相干性统一起来的强相干光源。相干光源。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质19小结小结1.光具有波粒二象性光具有波粒二象性2.光是横波，光的偏振特性光是横波，光的偏振特性3.光的干涉与衍射光的干涉与衍射4.光的相干性光的相干性5.光子简并度光子简并度如何产生相干光如何产生相干光？第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2022-12-120第第3章章 激光原理与技术激光原理与技术 主要内容主要内容 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论激光产生与传播基础 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术 3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术2022-12-1223.1 3.1 相干光源、非相干光源与激相干光源、非相干光源与激光光 光源器件主要是指电光变换器件。3.1.1 光源的分类 相干光源：在时间、空间上相位同步的光波形成。非相干光源：来源于原子或分子体系的自发辐射。2022-12-123照明光源照明光源 气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（固体灯）。（固体灯）。显示光源显示光源 着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来区分，如液晶显示器、阴极射线管（区分，如液晶显示器、阴极射线管（CRT)CRT)、发光二、发光二极管（极管（LEDLED）。）。信息处理光源信息处理光源 着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发光二极管、分光分度计光源。发光二极管、分光分度计光源。非相干光源包括非相干光源包括：2022-12-124 激光激光 气体激光器、固体激光器、染料激光气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。器、半导体激光器、等离子激光器。非线性光学器件非线性光学器件 主要是激光与非线性光学材料相互作主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源，如光参量用而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。生器、受激拉曼散射。相干光源包括相干光源包括：非相干光源发展史非相干光源发展史 1878年年12月，英国月，英国 斯万（斯万（Swan）发明电灯泡。）发明电灯泡。1879年年10月，美国月，美国 爱迪生（爱迪生（Edison）质量更好的电灯）质量更好的电灯泡。泡。1938年，美国年，美国 纽曼（纽曼（Neuman）等）等 研制成荧光灯研制成荧光灯 目前目前,呈现固体灯取代荧光灯的趋势。呈现固体灯取代荧光灯的趋势。固体灯：利用超高亮度白光二极管或其他场致发光管制作固体灯：利用超高亮度白光二极管或其他场致发光管制作 优点：体积小、转换效率高、耗电省、加压低优点：体积小、转换效率高、耗电省、加压低 应用：已有交通灯、路标、宣传、广告牌等应用：已有交通灯、路标、宣传、广告牌等 家用灯样品正走向实用家用灯样品正走向实用。相干光源特点相干光源特点 特点：特点：方向：发散很小方向：发散很小 频谱：单一频谱：单一 连续性：无限连续连续性：无限连续 亮度：极高亮度：极高 在时间、空间上相位同步在时间、空间上相位同步 传输增益，出射光强增强传输增益，出射光强增强激光器激光器非线性光源非线性光源 (b)激光发射的相干光激光激光 激光：受激放大光发射激光：受激放大光发射 Laser，(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)单色亮度高单色亮度高 出射光强远大于入射光强出射光强远大于入射光强 相位整齐相位整齐 方向性好方向性好 强度高强度高 为信息处理提供了稳定的载息媒介。为信息处理提供了稳定的载息媒介。译名：光学量子放大器，镭射，莱塞译名：光学量子放大器，镭射，莱塞 激光（钱学激光（钱学森）森）激光发展史激光发展史1916年，美国年，美国 爱因斯坦，提出概念，指明获得途径爱因斯坦，提出概念，指明获得途径(关于辐射的量子理关于辐射的量子理论论)1954年，美国年，美国 汤斯（汤斯（C.H.Townes），研制成功），研制成功MASER(致冷氨分子致冷氨分子)，1958年，美国和前苏联科学家几乎同时提出了实现激光振荡的具体设想：年，美国和前苏联科学家几乎同时提出了实现激光振荡的具体设想：美国美国 肖洛（肖洛（A.L.Schawlow）/汤斯（汤斯（C.H.Townes）（）（“红外和光学振红外和光学振荡器荡器”）前苏联前苏联 N.G.Basow/M.Prohorov(实现三能级粒子数反转和半导体激光实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议器的建议)1960年，美国年，美国 梅曼梅曼(T.H.Maiman)红宝石激光器问世（波长红宝石激光器问世（波长694.3nm）从理论到实现历时从理论到实现历时44年，原因有二：年，原因有二：当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意，当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意，学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键激光发展史激光发展史1960年秋，美国年秋，美国 Javan等等 1.15 m连续振荡连续振荡He-Ne气体激光器。气体激光器。1962年，美国年，美国 Nathan、Hall和和Quist 77K GaAs半导体激光器。半导体激光器。1966年，年，Sorokin 等等 激光泵浦若丹明激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激可调谐液体有机染料激光器。光器。1966年，美国年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等等 低温工作窄低温工作窄带半导体近红外可调谐激光器。带半导体近红外可调谐激光器。1970年，美国年，美国 Lin等等 双异质结连续振荡半导体激光器。双异质结连续振荡半导体激光器。1980年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反馈器、分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格发射激光器、分布布拉格发射(DBR)激光器、超激光器、超快激光器快激光器 波长：紫外、可见、红外波长：紫外、可见、红外 峰值功率：峰值功率：100TW量级量级 最高平均功率：最高平均功率：MW量级量级 调谐范围：从调谐范围：从200nm延伸到延伸到4 m。非线性相干光源发展非线性相干光源发展史史来源：激光与各种非线性光学材料相互作用来源：激光与各种非线性光学材料相互作用1961年，美国年，美国 Mc.Clung和和Hellwarth 发明激光调发明激光调Q法，开辟道路。法，开辟道路。1962年，年，Woodburg等，受激喇曼激光器等，受激喇曼激光器1969年，美国年，美国 Patel等，自旋反转喇曼激光，等，自旋反转喇曼激光，1965年，美国与苏联成功实现光参量振荡，获得了另一种可调谐相干光源。年，美国与苏联成功实现光参量振荡，获得了另一种可调谐相干光源。1968年，开始利用锁模技术制造超短脉冲激光器年，开始利用锁模技术制造超短脉冲激光器1969年获得亚皮秒（年获得亚皮秒（10-13秒）光脉冲，现秒）光脉冲，现4-5飞秒飞秒(10-15秒秒)激光器已商品激光器已商品化，向阿秒化，向阿秒10-18秒）进军。秒）进军。1970年，年，Mooradian 等，宽可调谐范围高效连续振荡自旋反转喇曼激光等，宽可调谐范围高效连续振荡自旋反转喇曼激光器。器。1971年，美国年，美国 Dewey，用光差频法获得波长可调的红外光源；，用光差频法获得波长可调的红外光源；1972年，日本年，日本 俊藤等，用和频产生出黄光；俊藤等，用和频产生出黄光；三次谐波产生、光整流效应等也相继得以实现。三次谐波产生、光整流效应等也相继得以实现。313.1.2 3.1.2 激光应用技术激光应用技术20fs3.3ns激光焊接，打孔32激光应用技术激光应用技术惯性约束核聚变（激光点火）2022-12-133激光应用技术激光应用技术34激光应用技术激光应用技术医疗实验室视频35光存储，激光全息激光应用技术激光应用技术2022-12-136 一般通称为激光的四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上，这四性质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。3.1.3 3.1.3 激光的特性激光的特性2022-12-137 1 1、方向性、方向性 激光发散角小，可达激光发散角小，可达mradmrad量级，接近于衍射极限。量级，接近于衍射极限。2 2、单色性、单色性 激光的谱线宽度很窄，单色性很好。激光的谱线宽度很窄，单色性很好。3 3、高亮度、高亮度 激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的光谱辐亮度。高的光谱辐亮度。4 4、相干性、相干性 激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很好。例如，稳频的性都很好。例如，稳频的He-He-NeNe激光器线宽可达激光器线宽可达v v10kHz10kHz，相干长度达，相干长度达LcLc=c c/v v=30km=30km。3.1.3 3.1.3 激光的特性激光的特性dcosddd)(3SLee2022-12-1381.光与物质相互作用的经典模型 介质的极化强度为:NeNpP用宏观物理量-极化率或介电常数来描述介质对光波场的响应,则:jijiEP03.2.1 3.2.1 光与物质相互作用的经典理论分析光与物质相互作用的经典理论分析3.2 3.2 激光产生与传播的基础激光产生与传播的基础2022-12-139 经典的电子理论是把原子内部电子运动看成称为简谐振子。简谐振子模型认为，原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置：xo(原子中的正电中心)附近振动(假设一维运动情况)，当电子偏离平衡位置而具有位移x时，就受到一个恢复力f=-kx的作用。假定没有其他力作用在电子上则电子运动方程为:xmkxdtxdm2022其中k是弹性系数,m为电子质量,mk0是电子的固有频率.2022-12-140 电子在原子内部以固有频率做简谐振动,就会向外辐射电磁波,辐射场又对电子产生反作用-与电子速度成正比的阻尼力.此时如果有光波入射,则光波电磁场又会对电子施加一个电磁力,于是方程变为:eEdtdxmmdtxdm2022考虑入射光场为简谐电场的情况,则:tjeEtE)()(tjextx)()(将其代入运动方程,可以求得解为:2022-12-141 由方程的解可见:在简谐振子的模型下,电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同,但存在相位差,且这个相位对介质中的所有原子都是一样的.(1)当 时,称为光和物质的非共振相互作用过程.(2)当 时,称为光和物质的共振相互作用过程.jEmex)()()(220002022-12-1423.2.23.2.2 光辐射的量子理论基础光辐射的量子理论基础1.1.三种跃迁三种跃迁 (1)受激吸收 受激吸收概率：受激吸收概率：t121121sdtdNNW)(1212BW为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数12B2022-12-143(2)(2)自发辐射自发辐射 1221EEh光子能量：光子能量：自发跃迁概率：自发跃迁概率：2 12 121s pd NAd tN单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内，上粒子的减少为：上粒子的减少为：221212NAdtdNdtdNsp2E于是有：于是有：)exp()exp(0221022stNtANN211As2022-12-144(3)(3)受激辐射受激辐射受激辐射的概率：受激辐射的概率：stdtdNNW212211)(212121 BW21B称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系数。2022-12-1452.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并为 ,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到能级的原子数为：1211212)(NBN单位时间内，12EE 的原子数数为：212121212()NAB N由于系统处于热平衡状态，则应有：1221NN即：1212211212121212()()NBNNAB N21,gg12,EE21,NN2022-12-146 212121122112)()(BABNN热平衡状态下，按波尔兹曼分布：)exp()exp(21121122kThkTEEgNgN即：1)exp(1)(21221112212121kThgBgBBA21,NN 所以有：2.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系2022-12-147热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：1)exp(18)(213321kThch比较两式有：221112gBgB3321218chBA上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同，则有：BBB2112338chBA2.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系2022-12-148 三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言，自发发射系数 A 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大，就越高，A,B 的比值就越大，也就是 越高，自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。211221,BBA21v21,EE21v21v结论：结论：2022-12-1493.3.光谱线展宽光谱线展宽 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为：212122121)(hANhdtdNIsp以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范围内，这一现象称为。2022-12-150 考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为：dII)(光谱线的线性函数：IIg)()(满足归一化条件：1)(dg于是：hANhgANgII)()()()(2122123.3.光谱线展宽光谱线展宽2022-12-151由爱因斯坦系数可得：)(8)()(21332121AhcBB设外来光辐射能量密度也是一个与频率有关的参量，于是：)()()()()(212121gBBW考虑谱线展宽后，对于自发辐射：21221221221221)()()(ANdgANdgANdANdtdNsp 可见：对自发辐射没有影响，即自发辐射不受 影响。)(g2022-12-152 对于受激辐射：dgBNdBNdWNdtdNsp)()()()()(21221221221dgBN)()(212可见受激跃迁粒子数改变与粒子体系的 及辐射场的 有关。)(g)(2022-12-1534.4.受激辐射下光谱线展宽的类型受激辐射下光谱线展宽的类型 （1 1）均匀展宽）均匀展宽 均匀展宽的特点是：引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线性函数某一特定频率与某些特定粒子联系起来，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。（2 2）非均匀展宽）非均匀展宽 非均匀展宽的特点是：粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽，2022-12-154均匀展宽包括：均匀展宽包括：1 1）自然展宽）自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。tjteeEtE020)(12tjteeEtE0220)(由傅立叶变换得其频谱分布为：0)(220200)()(dteEdtetEvEtjtj2022-12-1551 1）自然展宽）自然展宽于是自发辐射得功率为：22022022)(4)()(EEI总功率为：202202202)(4)(EdEdII所以：22022)(4)(Ng当0vv 有：4)()()(max00NNNggg2022-12-1561 1）自然展宽）自然展宽因此有：222002)2(42)(21)2(NNgg得：2N于是有)2()(2)(220NNNg2121sA也可写成：2202)21()(421)(ssNg)(1)(121lsusN2022-12-1572 2）碰撞展宽）碰撞展宽由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的，包括两种情况：激化态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。)2()(2)(220cccg)(1)(121lcucc自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数，表示为：)2()(2)(220HHHg线宽为：)(1)(1)(1)(121lcuclsusH2022-12-1583 3）热振动展宽）热振动展宽 由于晶格振动引起的，晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中，引起能级振动。这种展宽与温度有关，但其线型函数解析式很难求，只能由实验测出。2022-12-159非均匀展宽包括：非均匀展宽包括：1 1）多普勒展宽）多普勒展宽 由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。以一维运动为例：)1(0cz)(00czdcdz0考虑气体分子热运动的速率统计分布：)(2exp)2(),(22223zyxzyxvvvkTmkmvvvf2022-12-160得：zzyxyxzzdvkTmvdvdvvvkTmkTmdvg)2exp()(2exp)2()(22223 于是有：dvvcvkTmcdvdvvvkTmkTmdvgyxyx)()(2exp)(2exp)2()(0202022223 dvvgdvevckTmDhTmco)()2(2022)(2021从而有2022)(2021)2()(ohTmcDevckTmvg 称为多普勒的线型函数，具有高斯函数形式，相应的线宽为2120)2ln2(2mckTvD2022-12-161当0vv时0210)2()(vckTmvgD（最大值）也可表示为：exp)2ln(2)(220)(2ln421DvvvDDvg多普勒展宽实际上是一种统计结果。2022-12-1622)2)残余应力展宽残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的，其中由固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置的粒子起不同位置的粒子 不同，物质本身原子的不同，物质本身原子的无规则排列也会引起。无规则排列也会引起。2022-12-1633.2.3 3.2.3 光与物质相互作用经典结果的量光与物质相互作用经典结果的量子修正子修正解释光放大、吸收系数等问题只能从辐射的量子化出发。电磁辐射在物质传播时，每单位体积内的电磁场被电偶极子吸收的功率为：20)()(2Ev 由受激跃迁得：hvvghvncNNhvvWNNsv)(8)()()(33321212122EncI于是有)(16)()(23021vgnNNvs 2022-12-164 均匀展宽时：22023021)()(4118)()(vvvvnNNvs 而经典得表达式为：2200022)()(4118)(vvvvvmNev 相比发现：经典理论中，恒大于0，即热平衡条件下光通过物质传播时总有一定程度的吸收，而量子修正后取决于 21NN 2022-12-1653.2.4 3.2.4 光与物质体系相互光与物质体系相互作用的量子解释作用的量子解释1.两种情况下光与粒子体系的相互作用 1）单色辐射场与粒子体系相互作用）单色辐射场与粒子体系相互作用 单色辐射场的能量密度为：)()(vvvv dvvvgBNdtdNst)()()(21221)()()(212212vWNvvgBN)()(8)()()(333212121vvgvhncAvvgBvW)(8)(832232221vgvhnIvgvhnIcAsvv2022-12-166 上式表明由于谱线展宽，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定精确于 的中心频率 才能产生受激辐射，而是在 附近的一定范围内。2 2）连续辐射光场与粒子体系相互作用）连续辐射光场与粒子体系相互作用 dvgBNdtdNst)()(2122121202120212)()()(WNvBNdgvBN 可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率的那部分辐射场才能引起粒子体系受激辐射，其他部分被粒子所散射。2022-12-1672.2.受激发射与光放大受激发射与光放大 0)()()()()(2112121221212121dthvBNggNvIvdIvvd激活介质的增益系数为：dxvIvdIvG)()()(所以有xvGevIvI)(0)()(又：dthvBNggNvIvdIdxvG21121212212121)()()()(1212121ncvvvdtdxv所以有：hBNggNdxvG21121221)()(2022-12-168 考虑谱线展宽，有)()()()()(2112122121121221vKgNggNvghBNggNdxvG12212128ggAhBK结论：2022-12-169先进战术激光系统先进战术激光系统 20090613在在2009年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验 2022-12-170 3.3.1 3.3.1 激光产生的必要条件激光产生的必要条件 1.1.粒子数反转粒子数反转 光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，激发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如一般受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即。光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即。3.3 3.3 激光产生的条件激光产生的条件必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）2022-12-171考虑一个二能级（）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为：12,EEhEE1221由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt 时间后有：dthBNd2121121211)()(dthBNd2121212212)()(单位体积因吸收减少：单位体积因发射增加：能量总的变化为：dthBNBNd212112121221)()()(由爱因斯坦关系得：dthBggNgNd2121212112221)()()(2022-12-172 由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：（1）粒子数正常分布 满足：2211gNgN当物质处于热平衡时有)exp(121212kTEEggNN由于12EE于是粒子数分布总有2211/gNgN 工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即。2022-12-173 （2 2）粒子数反转）粒子数反转 满足：1122gNgN光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。正常分布2022-12-174 在激活介质中，粒子数是反转分布的，粒子在能级上的分布情况与波尔兹曼分布情况相反，是“上多下少”。而要达到粒子数反转分布，需要一个机构将低能级粒子抽到高能级，这种机构称为泵泵浦源浦源。2.2.减少振荡模式数减少振荡模式数 基于方向性、单色性的考虑。右图表示了谐振腔中光的振荡，（R11，R21）2022-12-1753.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光产生的充分条件 1.1.起振条件阈值条件起振条件阈值条件 由于R21，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有阈值。设激活介质的增益系数为 ，谐振腔长为L，则光束通过单程L后，强度变化关系为：)()(exp001LGILGII（为单程增益）谐振腔两面分别有反射率 ，透射率 ，损耗 ，则：)(G21,RR21,TT21,1111TR1222TR光束在腔内往返一次强度的变化情况为：1342321201),(,),(RIIGIIRIIGIILL2022-12-176于是 )(22104LGRRII可见，形成激光振荡条件为04II激光振荡必须满足的最起码条件为激光振荡必须满足的最起码条件为1)(221LGRR21ln21)(RRLvGth又因为)()()(1212KgNggNvG于是反转粒子数阈值公式为于是反转粒子数阈值公式为)(ln4)(2ln1)(2221211211212vLggARRgvLgRRKNggNth2022-12-1772.2.稳定振荡条件增益饱和效应稳定振荡条件增益饱和效应 激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，即 应写成 这种现象称为增益饱和现象。设想工作物质在泵浦作用下实现了粒子数反转，即 )(G),(IG01012020gNgNN2022-12-1782211gNgN 当外加光强出现时，感应了 的受激发射和 的受激吸收，两种跃迁的过程概率相等，由于 ，因此 粒子数大于 粒子数，其结果使新平衡反转粒子数 ，变小；由于 越强，造成反转粒子数的减少越严重，因而随着往返振荡，不断增大，使得 不断减小，直到光所获得的增益恰好等于激光腔内的损耗，就建立了稳态的振荡，形成稳定的输出。)(vI12EE 12EE 21EE 21EE 21EE 0NN)(G)(vI)(G2022-12-179作业 受激辐射与自发辐射的区别.2022-12-1803.4 3.4 激光器的基本结构及输出激光器的基本结构及输出3.4.1 3.4.1 激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔2022-12-181三能级系统 1.1.激光工作物质激光工作物质二能级系统不能充当激光工作物质。激光物质是三能级或四能级结构。2022-12-182四能级系统2022-12-1832.2.泵浦源泵浦源 必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：（1）光激励方式 （2）气体辉光放电或高频放电方式 （3）直接注入电子方式 （4）化学反应方式 还有：热激励、冲击波、电子束、核能等方式。2022-12-1843.3.谐振腔谐振腔 限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。设激光器腔长L，反射镜曲率半径分别为 (凸面镜 ，凹面镜 )，谐振腔可分为稳定腔（低损耗腔）和非稳定腔（高损耗腔）两类。（1）稳定腔 满足：（2）非稳定腔 满足：21,rr0r0r1021 ss111rLs221rLs121ss121ss或2022-12-1853.4.2 3.4.2 激光器的输出激光器的输出 1.输出功率 实际激光器工作在阈值以上。设小信号增益系数为 ，腔长L,单程损耗为 ，I在腔内往返一次后变为 ，则有：开始时某一振荡频率的小信号增益系数 大于阈值系数 ，则有腔内光强将逐渐增加，由于 受饱和效应的影响，若大信号增益系数 仍然大于 ，则这一过程便继续下去，随着光强的增加，逐渐减少，直到：激光器建立起稳定的工作状态，有了恒定的输出功率。稳定工作时激光器的信号增益总是稳定在 )(0vGI12-L(v)exp2G=II 0)(0vGthvG)(),(IvGthvG)(),(IvGLGIvGth),(thG2022-12-186 2.2.输出模式输出模式 激光器输出的独立频率分量称为。激光器的稳定含义包括：（1）确定频率 （2）振幅在空间的相对分布确定，不随时间改变 （3）相位在空间的相对分布确定，不随时间改变2022-12-1873.5 3.5 激光器的种类激光器的种类可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来分。分。2.5.1 2.5.1 气体激光器气体激光器 以气体为工作物质，大多数气体激光器能连续工以气体为工作物质，大多数气体激光器能连续工作，其激励过程涉及的能级比较固定利用气体放电作，其激励过程涉及的能级比较固定利用气体放电中的电子碰撞来激发。中的电子碰撞来激发。1.1.原子气体激光器原子气体激光器 2.2.离子气体激光器离子气体激光器 3.3.分子气体激光器分子气体激光器 4.4.准分子激光器准分子激光器2022-12-188准分子激光器准分子激光器 准分子激光是由气态氟化氩（准分子激光是由气态氟化氩（ArFArF）在激发状）在激发状态下激发的态下激发的“冷激光冷激光”。之所以称为准分子，。之所以称为准分子，是因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体是因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十毫微秒，准分子激光是一种脉冲激光，仅为几十毫微秒，准分子激光是一种脉冲激光，因谐振腔内充入不同的稀有气体和卤素气体的因谐振腔内充入不同的稀有气体和卤素气体的混合物而有不同波长的激光产生。波长范围为混合物而有不同波长的激光产生。波长范围为157157353nm353nm。2022-12-189例如：气体激光器例如：气体激光器（1）He-Ne激光器 He、Ne气体充入放电管中构成，He为辅助气体，Ne产生受激辐射发光。主要输出波长632.8nm、1.15m、3.39m。（2）氩离子激光器 放电管中充入低气压氩气，电离的氩离子产生受激辐射发光。输出蓝绿光，有很多波长，488.0nm、514.5nm二谱线最强。（3）CO2激光器 放电管中充入CO2气体和少量的N2和He。CO2分子发光，输出波长911m，典型波长10.6m。2022-12-190 原理图2022-12-1912022-12-192He-NeHe-Ne激光器概述激光器概述 诞生于诞生于19601960年，年，可见光及红外区：有可见光及红外区：有632.8nm632.8nm红光、和红光、和1.15m1.15m及及3.39m3.39m 632.8nm632.8nm氦氖激光器最大连续输出功率可达到一氦氖激光器最大连续输出功率可达到一W W，寿命也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，寿命也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到使功率稳定性达到3030秒内的误差为秒内的误差为0.0050.005，十分钟，十分钟内的误差为内的误差为0.0150.015的功率稳定度；的功率稳定度；发散角仅为发散角仅为0.50.5毫弧度。毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在精单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。2022-12-193氦氖激光器的工作原理 氦氖激光器的激光放电管内的气体有一定的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。2022-12-194氦氖激光器的工作原理 因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39m，632.8nm，1.53m三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。2022-12-195如何输出一种波长的光波？3.39um0.6328um1.15umHeNe能量转移能量转移能级结构能级结构2022-12-196采用的方法 主要取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择 借助腔内棱镜色散使某种波长激光不能起振；借助腔内棱镜色散使某种波长激光不能起振；在腔内插入对某种波长的光吸收元件；在腔内插入对某种波长的光吸收元件；借助轴向非均匀磁场使某种谱线展宽，从而使借助轴向非均匀磁场使某种谱线展宽，从而使其增益下降其增益下降2022-12-197He-Ne激光器结构 此类激光器的结构大体可分为三部分，即放电管、此类激光器的结构大体可分为三部分，即放电管、谐振腔和激发的电源。谐振腔和激发的电源。He-NeHe-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约放电的内管直径约2 23mm3mm，管长几厘米到十几厘，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按管内主要按5 5：1 11010：1 1的比例充入氦氖混合气体的比例充入氦氖混合气体达到总气压约达到总气压约2.662.663.99Pa3.99Pa。管的一端装有铝圆。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。镜）。这就构成了激光放电管。2022-12-198He-Ne激光器结构 在氦氖激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约1520cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。2022-12-199He-Ne激光器结构 He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。2022-12-1100型号 腔长(mm)模式(TEM)功率(mW)工作电流(mA)50 50000 7 10 100 100000 25 14-18 150 150000 40 18-20 功率稳定性%发散角 5 0.75 5 0.75 5 0.75 长 X 宽 X 高(mm)580X 100X100 1180X 105X140 1690X 140X170 2022-12-11012022-12-11023.5.2 3.5.2 固体激光器固体激光器 最有代表性的是红宝石激光器和钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器。我们具体分析一下红宝石激光器。红宝石激光器的结构如下图所示。棒状红宝石（Al2O3）单晶体中掺入0.05%的铬离子（Cr3+），Cr3+为激活粒子，产生受激辐射发光。脉冲氙灯为泵浦源，它位于椭圆柱形聚光镜的一个焦点上，发出的强光经聚光镜反射后，被位于另一个焦点的红宝石棒吸收，形成Cr3+的粒子数反转，发出受激辐射。红宝石棒的两个端面研磨抛光再镀以多重介质膜，形成两个反射镜构成谐振腔，对受激辐射进行放大，最后输出激光。红宝石激光器输出694.3nm的红色激光。2022-12-1103红宝石激光器结构红宝石激光器结构 红宝石激光器结构原理2022-12-1104红宝石激光器红宝石激光器 1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激光技术的诞生2022-12-1105红宝石激光器原理红宝石激光器原理 红宝石晶体中发射荧光并由此形成激光的是铬离子Cr3+，称为激活离子。其参与激光作用的能级结构。4A2是基态（对应三能级系统的e1），2E能级是亚稳态（对应于三能级系统的e2），4F1和4F2是两个吸收带能级（对应三能级系统的激发态e3）。从4A2向4F1、4F2的跃迁，对应两个强吸收带，中心波长分别约为410nm和560nm，吸收带宽约为100nm。2022-12-1106红宝石激光器原理红宝石激光器原理 红宝石晶体中Cr3+的亚稳态2e能级，实际由2A和E两能级组成。在强光照射下有两条荧光谱线r1和r2。r1和r2分别对应于E4A2，2A4A2的跃迁。r1和r2对应的谱线波长为694.3nm和692.9nm；相对强度7：5，线宽都为11cm-1。2022-12-1107红宝石激光器原理红宝石激光器原理e1e2e32AEr1r22022-12-1108红宝石激光器原理红宝石激光器原理 红宝石晶体在光泵激励下，处于其态4A2的Cr3+，吸收能量后跃迁到激发态4F1和4F2上，粒子在4F1和4F2上的寿命很短，约为10-9s。由于晶体内部晶格振动，大部分粒子通过无辐射跃迁，到达亚稳态能级2e上，因其能级寿命较长，约为310-3s。因此2e上积累大量粒子，在2e与4A2（基态）间形成粒子数反转分布，受激辐射将产生694.3nm和692.nm的谱线输出。由于r1线（=694.3nm）比r2线（=692.9nm）的荧光强度大，r1线先达阈值输出激光。因此，通常红