激光原理与技术【理学】--课件

第二章第二章激激 光光 原理原理1ppt课件课件2“LASER”standsforLightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiationv利用受激辐射实现光放大利用受激辐射实现光放大 ！Thewordlaserhasbeengenerallyacceptedsinceabout19652ppt课件课件内容提要一、引一、引言言二、激光器的物理原理二、激光器的物理原理三、激光的特性三、激光的特性3ppt课件课件一.引 言历史回顾历史回顾 该领域的有关诺贝尔奖该领域的有关诺贝尔奖4ppt课件课件爱因斯坦于爱因斯坦于19171917年提出受激辐射概念年提出受激辐射概念19581958年年，美美国国两两位位微微波波领领域域的的科科学学家家发发表表论论文文红红外外与与光光学学激激射射器器，开开辟辟了了崭新的激光研究领域崭新的激光研究领域苏苏联联科科学学家家实实现现三三能能级级粒粒子子数数反反转转和和半导体激光器建议半导体激光器建议论文论文19601960，美美国国科科学学家家梅梅曼曼制制造造第第一一台台红红宝宝石激光器石激光器历历 史史 回回 顾顾AlbertEinstein5ppt课件课件(first)Rubylaser,T.H.Maiman,July,1960,attheHughesResearchLaboratories，：694.3nm6ppt课件课件19611961年年8 8月，中国第一台红宝石激光器问世，月，中国第一台红宝石激光器问世，中科院中科院长春光学精密机械研究所长春光学精密机械研究所研制成功。研制成功。19641964年：钱学森年：钱学森命名命名LaserLaser为激光。为激光。7ppt课件课件该领域的有关诺贝尔奖19541954年，美国的年，美国的汤斯汤斯(Charles H.Towns)(Charles H.Towns)、苏联的巴索夫、苏联的巴索夫(Nikolai(Nikolai G.Basov)G.Basov)和普洛霍洛夫和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)(Aleksander M.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波第一次实现了氨分子微波量子振荡器量子振荡器(Maser),(Maser),抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，放大和振荡，利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。波。1964:Towns,Basov,Prokhorov：微波激射器和激光微波激射器和激光器的发明器的发明8ppt课件课件该领域的有关诺贝尔奖1971:DennisGabor,激光全息术激光全息术1981:洛洛.布隆姆贝根布隆姆贝根,激光光谱学激光光谱学9ppt课件课件该领域的有关诺贝尔奖1997:朱棣文、科昂朱棣文、科昂-塔努吉（塔努吉（CloderCohenTanuky、菲利普、菲利普斯（斯（Felipus，William）激光冷却和陷俘原子激光冷却和陷俘原子 10ppt课件课件该领域的有关诺贝尔奖2005：罗伊罗伊格劳伯，格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献对光学相干的量子理论的贡献 约翰约翰霍尔、奥多尔霍尔、奥多尔汉斯：汉斯：基于激光的精密光谱学研究基于激光的精密光谱学研究11ppt课件课件二.激光器的原理 激光器组成结构激光器组成结构 激光特性激光特性 基本概念基本概念 形成稳定激光振荡的条件形成稳定激光振荡的条件12ppt课件课件 1.1.能级能级 2.2.受激吸收受激吸收 3.3.自发辐射自发辐射 4.4.受激辐射受激辐射 5.5.粒子数反转粒子数反转 基本概念基本概念13ppt课件课件 基态基态 激发态激发态电子只能处于分立的能级，电磁辐射电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将与物质的相互作用将导致物质中电导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在特定的能级间跃迁；该能量为这可在特定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并该能量差唯一两个能级的能量差，并该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率：地决定了电磁辐射的频率：E=E2-E1=hv 1.1.能级能级1）能级是离散的）能级是离散的；2）能级间跃迁是由电磁辐射造成的；）能级间跃迁是由电磁辐射造成的；3）电磁辐射的频率取决于能级差）电磁辐射的频率取决于能级差14ppt课件课件光和物质相互作用的三种形式光和物质相互作用的三种形式15ppt课件课件在没有外界作用的情况下，原子从高能级在没有外界作用的情况下，原子从高能级E E2 2向低能级向低能级E E1 1的跃迁方式有两种：的跃迁方式有两种：无辐射跃迁无辐射跃迁和和自发辐射跃迁自发辐射跃迁。自发辐射跃迁示意图自发辐射跃迁示意图原子的自发辐射只与原子本身原子的自发辐射只与原子本身的性质有关，与外界辐射场无关的性质有关，与外界辐射场无关自发辐射的随机性，自发辐射自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态和传播方向杂光的相位、偏振态和传播方向杂乱无章乱无章发出的光的单色性、定向性很发出的光的单色性、定向性很差，没有确定的偏振状态。差，没有确定的偏振状态。特点特点 2.2.光的自发辐射光的自发辐射16ppt课件课件受激吸收跃迁示意图受激吸收跃迁示意图入射光入射光当原子系统受到外来的能量为当原子系统受到外来的能量为hv21的光子作用下，如果的光子作用下，如果hv21E2E1，则处于低能级，则处于低能级E1上的原子由于吸收一个能量为上的原子由于吸收一个能量为hv21的的光子而受到激发，跃迁到高能级光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去的过程。上去的过程。原子的受激吸收几率与外原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关界辐射场的频率有关特点特点 3.3.光的受激吸收光的受激吸收17ppt课件课件光的受激辐射：当原子受光的受激辐射：当原子受外来的能量为外来的能量为hv21的光子激的光子激励下，从高能级励下，从高能级E2跃迁到跃迁到低能级低能级E1，原子发射一个，原子发射一个与外来光子一模一样的光与外来光子一模一样的光子的过程。子的过程。受激辐射跃迁示意图受激辐射跃迁示意图入射光入射光受激辐射光受激辐射光入射光入射光受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。受激辐射而得到的光是相干光。受激辐射而得到的光是相干光。特点特点 4.4.光的受激辐射光的受激辐射18ppt课件课件通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到相通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到相干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。19ppt课件课件光的受激辐射和自发辐射的区别：光的受激辐射和自发辐射的区别：原子受激辐射的光与外原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光来的引起受激辐射的光有相同的有相同的频率、位相、频率、位相、偏振及传播方向。偏振及传播方向。20ppt课件课件l普通灯光与激光的比较普通灯光与激光的比较21ppt课件课件 5.5.粒子数反转状态粒子数反转状态光与物质相互作用共有三种形式，如何让受激辐射占光与物质相互作用共有三种形式，如何让受激辐射占据主导地位呢？据主导地位呢？22ppt课件课件如何实现粒子数反转-泵浦光泵浦光泵浦-红宝石激光器红宝石激光器电泵浦电泵浦-半导体激光器半导体激光器热能泵浦热能泵浦-气动气动CO2激光器激光器化学泵浦化学泵浦-氟化氢氟化氢/氘激光器氘激光器23ppt课件课件例：红宝石激光器的工作原理24ppt课件课件光如何放大-谐振腔25ppt课件课件1.工作物质工作物质2.谐振腔谐振腔3.泵浦源泵浦源 激光器的组成结构激光器的组成结构26ppt课件课件工作物质工作物质全反射镜对激光全反射镜对激光100%100%反射反射部分反射镜有小部分激光透射部分反射镜有小部分激光透射泵泵浦浦光光输输出出激激光光1.1.谐振腔的结构与作用谐振腔的结构与作用27ppt课件课件放放大大使使某某一一频频率率的的光光多多次次往往返返传传播播,激激励励处处于于反反转转状状态的工作物质态的工作物质,造成连锁反应造成连锁反应,以实现光放大以实现光放大.选选向向将将传传播播方方向向偏偏离离光光轴轴方方向向太太多多的的光光子子淘淘汰汰掉掉,使使得到的激光是一束得到的激光是一束 方向性很好的光方向性很好的光.选选频频反反射射镜镜镀镀上上多多层层膜膜,使使反反射射最最强强,形形成成稳稳定定振振荡荡并不断加强并不断加强,得到单色性好的激光得到单色性好的激光谐振腔的作用谐振腔的作用:28ppt课件课件2.2.泵浦机制泵浦机制29ppt课件课件固体激光器固体激光器：红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光液体激光器液体激光器：染料激光器染料激光器(可见光区宽范围可调谐可见光区宽范围可调谐)气体激光器气体激光器：He-Ne激光器，激光器，CO2激光器激光器半导体激光器半导体激光器：GaAs,AlGaAs,InGaAs（红外局部可调谐）（红外局部可调谐）光纤激光器光纤激光器:掺稀土光纤掺稀土光纤自由电子激光器自由电子激光器：相对论电子相对论电子X射线激光器：射线激光器：类氦离子，类锂离子类氦离子，类锂离子3.3.激光器工作物质及其分类激光器工作物质及其分类30ppt课件课件常见的激光器及其激光波长常见的激光器及其激光波长31ppt课件课件v激光工作物质：激光工作物质：有提供放大作用的增益介质作激光工作物质有提供放大作用的增益介质作激光工作物质；v激励源：激励源：外界激励源作用使上下能级之间产生粒子数外界激励源作用使上下能级之间产生粒子数反转；反转；（形成激光的内部条件）（形成激光的内部条件）v激光谐振腔：激光谐振腔：使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。（形成激光的外部条件）（形成激光的外部条件）形成稳定激光振荡的条件形成稳定激光振荡的条件32ppt课件课件方向性好方向性好：光束几乎在一条直线上传播，发散角光束几乎在一条直线上传播，发散角毫弧度毫弧度单色性好单色性好:He-Ne激光的谱线宽度约激光的谱线宽度约210-9nm相相干干性性好好：He-Ne的的相相干干长长度度200Km，而而普普通通光光源源中中最最好好的的氪氪灯灯为为0.78m高亮度：高亮度：普通激光的亮度比太阳高普通激光的亮度比太阳高100亿倍亿倍激光的特性激光的特性33ppt课件课件