激光产生的原理讲解课件

第一章第一章激光产生的原理激光产生的原理一、一、物质的发光过程物质的发光过程在自然界，任何物质的发光都需要经过两在自然界，任何物质的发光都需要经过两个过程，即受激吸收过程和自发辐射过程。个过程，即受激吸收过程和自发辐射过程。1、吸收过程、吸收过程当物质受到外来能量如光能、热能、电能当物质受到外来能量如光能、热能、电能等的作用时，原子中的电子就会吸收外来等的作用时，原子中的电子就会吸收外来能量能量(如一个光子如一个光子)，从低轨道跃迁到高轨，从低轨道跃迁到高轨道上去，或者说处于低能态的粒子会吸收道上去，或者说处于低能态的粒子会吸收外来能量，跃迁至高能态。外来能量，跃迁至高能态。第一章激光产生的原理1由于吸收过程是在外来光子的激发下由于吸收过程是在外来光子的激发下产生的，所以称之为产生的，所以称之为“受激吸收受激吸收”。受激吸收的特点是：必须有外来光子受激吸收的特点是：必须有外来光子(或其他方式的能量或其他方式的能量)“刺激刺激”，而且，而且这个外来光子的能量必须是：这个外来光子的能量必须是：h=ENE0(N=1，2，3)式中式中E0粒子吸收外界能量前所处粒子吸收外界能量前所处的能级，的能级，EN吸收后所处的能级吸收后所处的能级,h=6.6310-34Js由于吸收过程是在外来光子的激发下产生的，所以称之为“受激吸收22、自发辐射过程、自发辐射过程被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们在高能级上只能停留一个极为短暂的时们在高能级上只能停留一个极为短暂的时间，约为一亿分之一秒，然后立即向低能间，约为一亿分之一秒，然后立即向低能级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的，所以称为况下完全自发地进行的，所以称为“自发自发跃迁跃迁”。粒子在自发跃迁过程中，要把原。粒子在自发跃迁过程中，要把原先吸收的能量释放出来，所释放的能量数先吸收的能量释放出来，所释放的能量数值为值为E=ENE0。释放能量转变为热能，。释放能量转变为热能，传给其他粒子，这种跃迁叫做传给其他粒子，这种跃迁叫做“无辐射跃无辐射跃迁迁”，当然就不会有光子产生。，当然就不会有光子产生。2、自发辐射过程3另一种是以光的形式释放能量另一种是以光的形式释放能量(叫做自叫做自发辐射跃迁发辐射跃迁)，即向外辐射一个光子，即向外辐射一个光子，于是就产生了光。自发辐射过程放出于是就产生了光。自发辐射过程放出的光子频率，由跃迁前后两个能级之的光子频率，由跃迁前后两个能级之间的能量差来决定，即：间的能量差来决定，即：另一种是以光的形式释放能量(叫做自发辐射跃迁)，即向外辐射一4可见，两个能级之间的能量差越大，可见，两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越自发辐射过程所放出的光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。琴发出的音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源的发自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。光子。可见，两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率5当外界不断地提供能量时，粒子就会当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射激吸收，再自发辐射如此循环不如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质发光物质钨丝，钨丝被灼热，使钨丝，钨丝被灼热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子，于是迁回低能态并同时辐射出光子，于是灯泡就亮了。灯泡就亮了。当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，6激光产生的原理讲解课件7自发辐射的特点是：由于物质自发辐射的特点是：由于物质(发光体发光体)中中每个粒子都独立地被激发到高能态和跃迁每个粒子都独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联系，所以各回低能态，彼此间没有任何联系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且传播的方向也不后，波长有长有短，而且传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多一致。因为自发辐射光是由这样许许多多杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见到的光，是包含许多种波长成份到的光，是包含许多种波长成份(即多种即多种颜色颜色)、射向四面八方的杂散光。阳光、射向四面八方的杂散光。阳光、灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都独立地被激发8二、二、受激辐射受激辐射“激激”出激光出激光粒子从高能态向低能态跃迁，并非只粒子从高能态向低能态跃迁，并非只能以自发方式进行，处于高能态的粒能以自发方式进行，处于高能态的粒子可以在没有外界因素的影响下自发子可以在没有外界因素的影响下自发地向低能态跃迁，也可以在外界因素地向低能态跃迁，也可以在外界因素的诱发和刺激下向低能态跃迁，而且的诱发和刺激下向低能态跃迁，而且在跃迁中同样也向外辐射光子。由于在跃迁中同样也向外辐射光子。由于后一种过程是被后一种过程是被“激激”出来的，所以出来的，所以就叫做就叫做“受激辐射受激辐射”过程。过程。二、受激辐射“激”出激光9受激辐射过程的特点是：必须有外来受激辐射过程的特点是：必须有外来光子的光子的“刺激刺激”，而且只有当外来光，而且只有当外来光子的频率恰恰符合下式：子的频率恰恰符合下式：时处于高能级时处于高能级EN的粒子才会在这个外的粒子才会在这个外来光子的刺激下向低能级来光子的刺激下向低能级E0跃迁，并跃迁，并同时辐射出一个频率、传播方向、振同时辐射出一个频率、传播方向、振动方向均与外来光子完全相同的光子。动方向均与外来光子完全相同的光子。受激辐射过程的特点是：必须有外来光子的“刺激”，而且只有当外10简单地说，输入是一个外来光子，而输出简单地说，输入是一个外来光子，而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的两个光子中，一个就是子，因为在输出的两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激辐射外来光子本身，而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的，即是被外来光子过程中释放出来的，即是被外来光子“激激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光子，这就激辐射，得到两个完全相同的光子，这就是光的是光的“放大放大”。这两个光子再去激发两。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相同的同的4个光子，个光子，4、8、16如此链锁反如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多，应，完全相同的光子数目便会越来越多，可见受激辐射过程也就是光放大的过程。可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的光，在受激辐射过程中产生并被放大了的光，便是激光。便是激光。简单地说，输入是一个外来光子，而输出的则是性质与外来光子一模11激光与普通光既有相同之处，又有不激光与普通光既有相同之处，又有不同处。相同的地方是：两种光在本质同处。相同的地方是：两种光在本质上没有区别，既是电磁波、又是粒子上没有区别，既是电磁波、又是粒子流，具有波粒二象性。不同之处在于：流，具有波粒二象性。不同之处在于：普通光是一种杂乱无章的混合光，而普通光是一种杂乱无章的混合光，而激光则是频率、方向位相都极其一致激光则是频率、方向位相都极其一致的的“纯纯”光。根据光学理论，两束光光。根据光学理论，两束光相干的条件是同频率、同振动方向、相干的条件是同频率、同振动方向、位相相同或位相差恒定。显然，受激位相相同或位相差恒定。显然，受激辐射所产生的激光是相干光，而普通辐射所产生的激光是相干光，而普通光是非相干光。光是非相干光。激光与普通光既有相同之处，又有不同处。相同的地方是：两种光在12三、思考与练习三、思考与练习1、物质的发光需要经过哪两个过程？、物质的发光需要经过哪两个过程？1、受受激激辐辐射射过过程程中中外外来来光光子子的的频频率率应应满足什么关系式？满足什么关系式？什么叫做光的什么叫做光的“放大放大”？激光与普通？激光与普通光有什么相同之处和不同之处？光有什么相同之处和不同之处？三、思考与练习13第二章第二章激光器的三大结构激光器的三大结构能产生激光的系统，我们称之为激光能产生激光的系统，我们称之为激光器。前面的介绍已经告诉我们，自发器。前面的介绍已经告诉我们，自发辐射显然是形不成激光的，而受激辐辐射显然是形不成激光的，而受激辐射也只是激光产生的理论基础。要激射也只是激光产生的理论基础。要激励出激光来，还必须采取手段创造必励出激光来，还必须采取手段创造必要的物质条件。要的物质条件。激光产生的原理讲解课件14一、激励源一、激励源粒子搬迁的动力粒子搬迁的动力1、粒子数的正常分布、粒子数的正常分布激光是在受激辐射中产生的，受激辐激光是在受激辐射中产生的，受激辐射要求粒子处在高能态。可是，在通射要求粒子处在高能态。可是，在通常情况下，物质中绝大多数粒子处于常情况下，物质中绝大多数粒子处于稳定状态稳定状态(稳态稳态)，因为在正常热平衡，因为在正常热平衡的条件下，粒子有自发从高能级向低的条件下，粒子有自发从高能级向低能级跃迁的趋势，这样，低能级上的能级跃迁的趋势，这样，低能级上的电子数要比高能级上的电子数多得多。电子数要比高能级上的电子数多得多。一、激励源粒子搬迁的动力15能态越高，粒子数目就越少，此时粒能态越高，粒子数目就越少，此时粒子分布规律好像金字塔，下面大，上子分布规律好像金字塔，下面大，上面尖，越往高处越少。这就是说；处面尖，越往高处越少。这就是说；处于低能级上的粒子数在热平衡的情况于低能级上的粒子数在热平衡的情况下总是多于高能级上的粒子数，因而下总是多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势，这就称之为受激吸收总占优势，这就称之为“粒粒子数正常分布子数正常分布”。能态越高，粒子数目就越少，此时粒子分布规律好像金字塔，下面大16在这种情况下，由于在实验中很难观在这种情况下，由于在实验中很难观察到个别粒子究竟是受激吸收还是受察到个别粒子究竟是受激吸收还是受激辐射，实际只能观察到两种过程的激辐射，实际只能观察到两种过程的宏观结果。因此，只能看到占优势的宏观结果。因此，只能看到占优势的粒子体系的吸收现象，而受激辐射则粒子体系的吸收现象，而受激辐射则观察不到。普通光源，如电灯，高压观察不到。普通光源，如电灯，高压汞灯等都是如此。也就是说，在汞灯等都是如此。也就是说，在“粒粒子数正常分布子数正常分布”的情况下，无论你怎的情况下，无论你怎样样“激激”，也出不了激光。，也出不了激光。在这种情况下，由于在实验中很难观察到个别粒子究竟是受激吸收还172、粒子数反转、粒子数反转为了产生受激辐射，就必须变革粒子的常为了产生受激辐射，就必须变革粒子的常规分布状态，来个规分布状态，来个“粒子大搬家粒子大搬家”，将处，将处在低能态的粒子在低能态的粒子“搬搬”到高能态上去，使到高能态上去，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数。由高能态的粒子数大于低能态的粒子数。由于它同正常粒子数分布相反，所以叫粒子于它同正常粒子数分布相反，所以叫粒子数反分布。此状态激光理论中有个统一叫数反分布。此状态激光理论中有个统一叫法法“粒子数反转粒子数反转”或或“集居数反转集居数反转”，处于粒子数反转的粒子体系是不稳定的，处于粒子数反转的粒子体系是不稳定的，如果这时有合适的诱发光子刺激它，则受如果这时有合适的诱发光子刺激它，则受激辐射就会发生而产生激光。可见，实现激辐射就会发生而产生激光。可见，实现粒子数反转便是实现激光产生的先决条件。粒子数反转便是实现激光产生的先决条件。2、粒子数反转183、“搬运搬运”粒子的工具粒子的工具光泵光泵要想把处于低能态的粒子送到高能态去，要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得有外力借助工具来实现。这个过程类就得有外力借助工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵作功才成。同理，要实现粒子数反转，首作功才成。同理，要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级级“搬运搬运”到高能级，这种过程在激光理到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒子水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为为“光泵光泵”。3、“搬运”粒子的工具光泵194、阈值和激励方式、阈值和激励方式“光泵光泵”只是在解释粒子数反转时借用的只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样很能态的，而且很顽固，并不是象水一样很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了高能态，但它们很快就把一部分抽运到了高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而且要强有力。激励作用激励不仅要快，而且要强有力。激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的，产生总是通过消耗一定的能量来实现的，产生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的阈值光器的阈值(阈，即门槛的意思阈，即门槛的意思)。阈值是。阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。描述激光器整体性能的一个重要参数。4、阈值和激励方式20二、工作介质二、工作介质激光产生的内因激光产生的内因在大干世界里，各种各样的物质都是在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电子等微观粒子组成由分子、原子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能的，如果有了强大的激励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激光在物质中实现粒子数反转而产生激光呢呢?不是的，激励只是一个外部条件，不是的，激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于合适的工作物质，激光的产生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的工作介质，这才是也称之为激光器的工作介质，这才是激光产生的内因。激光产生的内因。二、工作介质激光产生的内因21前面我们所讲到的都是以二能级系统前面我们所讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是说工作物质只为例来讨论的，也就是说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所有有高、低两个能级。实际上目前所有已实现的激光辐射都是三能级或四能已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统，下图是红宝石激光器的铬离级系统，下图是红宝石激光器的铬离子子(Cr3+)的简化能级图，这是一个典型的简化能级图，这是一个典型的三能级系统。图中所示的的三能级系统。图中所示的E1,E2,E3中，中，E2是亚稳态级。是亚稳态级。激光产生的原理讲解课件22激光产生的原理讲解课件23外界激发作用将会把粒子从外界激发作用将会把粒子从E1抽运到抽运到E3，被抽运到，被抽运到E3的粒子很快通过无辐的粒子很快通过无辐射跃迁转移到射跃迁转移到E2，因为，因为E3的寿命只有的寿命只有10-9秒，即秒，即10亿分之一秒，不允许粒亿分之一秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但子久留，所以此过程很快。但E2的亚的亚稳态，寿命较长，约为稳态，寿命较长，约为10-3秒，即千秒，即千分之一秒，允许粒子久留。随着分之一秒，允许粒子久留。随着E1上上的粒子不断地被抽运到的粒子不断地被抽运到E3，又很快转，又很快转移到移到E2，既然，既然E2允许粒子久留，那么允许粒子久留，那么从从E2到到E1的自发辐射跃迁几率就很小，的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在于是粒子就在E2上积聚起来，从而实上积聚起来，从而实现现E2对对E1两能级间的粒子数反转。两能级间的粒子数反转。外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3，被抽运到E3的粒子很24这个系统便能对诱发光子能量这个系统便能对诱发光子能量hV=E2E1的光进行光放大。显然，的光进行光放大。显然，E2能级好象一个水塔上的蓄水池，能能级好象一个水塔上的蓄水池，能够贮存大量的粒子，只有亚稳态级才够贮存大量的粒子，只有亚稳态级才具有这种能力，但并不是所有的发光具有这种能力，但并不是所有的发光物质都具有亚稳态结构，这就是有些物质都具有亚稳态结构，这就是有些物质可以物质可以“激激”出激光来，而有些物出激光来，而有些物质却质却“激激”不出来的道理。所以，具不出来的道理。所以，具备亚稳态能级结构是对产生激光的工备亚稳态能级结构是对产生激光的工作物质的起码要求。作物质的起码要求。这个系统便能对诱发光子能量hV=E2E1的光进行光放大。显25三、谐振腔三、谐振腔激光的振荡放大器激光的振荡放大器合适的工作物质有了，实现粒子数反合适的工作物质有了，实现粒子数反转的激励源有了，这下子该转的激励源有了，这下子该“激激”出出激光了吧激光了吧!还不行，因为人们在实验中还不行，因为人们在实验中发现这样虽然可以产生受激辐射，但发现这样虽然可以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人们使用非常微弱，根本形不成可供人们使用的激光。这很自然的使人们想到了采的激光。这很自然的使人们想到了采用放大的办法来解决这个问题，于是用放大的办法来解决这个问题，于是出现了光学谐振腔。出现了光学谐振腔。三、谐振腔激光的振荡放大器26激光产生的原理讲解课件27于是出现了光学谐振腔。即利用两个于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反射镜，使放大了的光在镜面对面的反射镜，使放大了的光在镜间来回被反射，反复通过镜间的介质间来回被反射，反复通过镜间的介质不断再放大，即反馈放大。两个反射不断再放大，即反馈放大。两个反射镜可以是平面，也可以是球面。其中镜可以是平面，也可以是球面。其中一个要求是反射率为一个要求是反射率为100的全反射镜，的全反射镜，另一个是部分反射镜。比如，反射率另一个是部分反射镜。比如，反射率为为95时，时，5的光透射出去供人应用，的光透射出去供人应用，从而构成光学谐振腔。因为其侧面是从而构成光学谐振腔。因为其侧面是敞开的，所以，又称作敞开的，所以，又称作“开放腔开放腔”。当把激光介质置于两反射镜之间后，当把激光介质置于两反射镜之间后，即可构成激光振荡器。即可构成激光振荡器。于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反射镜，使放大了的光28当外界强光激励置于两镜间的激光介当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与稳态级之间实质时，就在亚稳态级与稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发地跃迁到低能级时将自发辐子当自发地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的，射射光子，但这种发射是无规律的，射向四面八方，其中一部分可以诱发激向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生受激辐射。发态上的粒子产生受激辐射。当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与稳态级之29从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱发激发态上的粒子产射，尽管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独沿腔轴方向的自发辐光的作用不大。唯独沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生受激辐射光放大。由激发态上的粒子产生受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部分反射镜端射出，这强。其中一部分从部分反射镜端射出，这就是激光；就是激光；从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱发激发30而其余部分留在腔内继续反馈放大以而其余部分留在腔内继续反馈放大以维持不断的向外辐射激光，如图所示。维持不断的向外辐射激光，如图所示。介质内部沿纵轴方向偶然弱小的自发介质内部沿纵轴方向偶然弱小的自发辐射经过振荡和放大，最终形成强大辐射经过振荡和放大，最终形成强大的激光辐射过程就叫激光振荡放大。的激光辐射过程就叫激光振荡放大。由于光速极快，所以此过程极短。由于光速极快，所以此过程极短。而其余部分留在腔内继续反馈放大以维持不断的向外辐射激光，如图31四、思考与练习四、思考与练习1、激激光光器器的的激激励励源源光光泵泵作作用用是是什什么？么？2、是是不不是是任任何何物物质质都都可可以以作作为为激激光光的的工工作作物物质质？为为什什么么？只只有有具具备备什什么么能能态的物质才有可能产生激光？态的物质才有可能产生激光？3、谐振腔是如何将光、谐振腔是如何将光“放大放大”？将？将光光“放大放大”是受什么技术启发？是受什么技术启发？四、思考与练习32