应用光电第二讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,2024/9/20,1,光的非相干叠加,其中,所以,或,1,2,E,0,E,10,E,20,第二章 光的基本性质,2.3.2,光的叠加,2024/9/20,2,相干光的条件,综上所述,：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,振动频率相同，振动方向相同，相位差恒定的条件。,干涉相长,干涉相消,若,第二章 光的基本性质,2024/9/20,3,当具有,相同频率和振动方向,、,具有相同相位或固定相位差,的光波相遇时，在相遇的区域内产生干涉现象。,光波的干涉可以这样来描述：两列光波在空间相遇，叠加波形成有规律的光强分布的现象,。,第二章 光的基本性质,2.3.2.1,光波的干涉,2024/9/20,4,p,）,杨氏双缝干涉实验,第二章 光的基本性质,2024/9/20,5,杨氏双缝实验,装置原理,第二章 光的基本性质,2024/9/20,6,光在传播时会绕过障碍物，或者在障碍物后的几何阴影区光波的强度会有起伏，这便是光的衍射现象,至于为什么在平时日常生活中少见衍射现象，这是因为,只有当障碍物尺寸同光波长相近时，才会发生明显的衍射现象。,第二章 光的基本性质,2.3.2.2,光波的,衍射,2024/9/20,7,单缝衍射图样：,第二章 光的基本性质,明暗相间且不等距条纹（中央亮纹）,2024/9/20,8,2.3.3,光的相干性,1.,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,自发辐射,.,原子发射的光波,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）,第二章 光的基本性质,=,(,E,2,-E,1,),/h,E,1,E,2,能级跃迁辐射,波列,波列长,L =,c,独立,(,不同,原子发的光,),独立,(,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,2024/9/20,9,普通光源是光的自发辐射。,特点：多波长、任意方向、不相干。,普通光源向四面八方辐射,光线分散到,4,p,球面度的立体角内,.,第二章 光的基本性质,2024/9/20,10,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（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。,波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好,谱线宽度：通常用强度下降到,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,第二章 光的基本性质,2024/9/20,11,波列长度与光源谱线宽度成反比,，即光源的单色性好，光源的谱线宽度就小，波列长度就长。,单色性越好，相干性就越好,第二章 光的基本性质,2024/9/20,12,相干光波：,频率相同、振动方向一致、相位差恒定的两束光波。,相干长度：,沿传播方向的相干长度,。,相干面积：,垂直于光传播方向截面上的相干面积,。,相干体积：,空间体积 内各点的光波场都具有明显,的相干性，则 为相干体积。,光,的相干性讨论,第二章 光的基本性质,描述时间相干性的等效物理量：,相干时间,：,相干长度,：,谱线宽度,：,描述空间相干性的等效物理量：,2024/9/20,13,1,空间相干性,:,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的独立性。,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，使总的干涉花样模糊不清，甚至会使干涉条纹的可见度降为零。,第二章 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，相格空间体积等于光源的相干体积。,2024/9/20,14,2,时间相干性,:,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性。,光源时间相干性的好坏决定于其,单色性,，因为光源的单色程度决定干涉条纹的最大光程差 ，即所说的相干长度。,：两列波能发生干涉的最大光程差，也就是,波列长度,。越大，相干性越好,光学中，原子发光的持续时间，称为相干时间，相应波列的长度,L,称为相干长度,第二章 光的基本性质,2024/9/20,15,相干长度：单色性越好，相干长度越长,普通光源,几厘米,激光可达,10,5,千米,第二章 光的基本性质,2024/9/20,16,第二章 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，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，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，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。,2024/9/20,17,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。从相干性的光子描述出发，,相干光强决定于具有相干性的光子的数目,。,光子简并度：处于同一光子状态的光子数目。用,表示。,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。,光子简并度,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、处于同一相格内的光子数。,第二章 光的基本性质,2.4,光子简并度,2024/9/20,18,一个好的相干光源，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。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。而激光器却是一种把光强和相干性统一起来的强相干光源。,第二章 光的基本性质,19,小结,光具有波粒二象性,光是横波，光的偏振特性,3.,光的干涉与衍射,4.,光的相干性,5.,光子简并度,如何产生相干光,？,第二章 光的基本性质,2024/9/20,20,第,3,章 激光原理与技术,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,2024/9/20,22,3.1,相干光源、非相干光源与激光,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。,2024/9/20,23,照明光源,气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（固体灯）。,显示光源,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（,CRT),、发光二极管（,LED,）。,信息处理光源,着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发光二极管、分光分度计光源。,非相干光源包括,：,2024/9/20,24,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。,非线性光学器件,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，如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。,相干光源包括,：,非相干光源发展史,1878,年,12,月，英国 斯万（,Swan,）发明电灯泡。,1879,年,10,月，美国 爱迪生（,Edison,）质量更好的电灯泡。,1938,年，美国 纽曼（,Neuman,）等 研制成荧光灯,目前,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,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,家用灯样品正走向实用,。,相干光源特点,特点：,方向：发散很小,频谱：单一,连续性：无限连续,亮度：极高,在时间、空间上相位同步,传输增益，出射光强增强,激光器,非线性光源,(b),激光发射的相干光,激光,激光：受激放大光发射,Laser,，,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),单色亮度高,出射光强远大于入射光强,相位整齐,方向性好,强度高,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,激光（钱学森）,激光发展史,1916,年，美国 爱因斯坦，提出概念，指明获得途径,(,关于辐射的量子理论,),1954,年，美国 汤斯（,C.H.Townes,），研制成功,MASER(,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：,美国 肖洛（,A.L.Schawlow,）,/,汤斯（,C.H.Townes,）（“红外和光学振荡器”）,前苏联,N.G.Basow/M.Prohorov,(,实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议,),1960,年，美国 梅曼,(,T.H.Maiman,),红宝石激光器问世（波长,694.3nm,）,从理论到实现历时,44,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，,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,1960,年秋，美国,Javan,等,1.15,m,连续振荡,He-,Ne,气体激光器。,1962,年，美国,Nathan,、,Hall,和,Quist,77K,GaAs,半导体激光器。,1966,年，,Sorokin,等 激光泵浦若丹明,6G,可调谐液体有机染料激光器。,1966,年，美国,Dimmock,、,Bulter,、,Melngailis,等 低温工作窄带半导体近红外可调谐激光器。,1970,年，美国,Lin,等 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、光纤激光器、分布反馈,(DFB),激光器、分布布拉格发射,(DBR),激光器、超快激光器,波长：紫外、可见、红外,峰值功率：,100TW,量级,最高平均功率：,MW,量级,调谐范围：从,200nm,延伸到,4,m,。,非线性相干光源发展史,来源：激光与各种非线性光学材料相互作用,1961,年，美国,Mc. Clung,和,Hellwarth,发明激光调,Q,法，开辟道路。,1962,年，,Woodburg,等，受激喇曼激光器,1969,年，美国,Patel,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。,1968,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（,10,-13,秒）光脉冲，现,4-5,飞秒,(10,-15,秒,),激光器已商品化，向阿秒,10,-18,秒）进军。,1970,年，,Mooradian,等，宽可调谐范围高效连续振荡自旋反转喇曼激光器。,1971,年，美国,Dewey,，用光差频法获得波长可调的红外光源；,1972,年，日本 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。,31,3.1.2,激光应用技术,20fs,3.3ns,激光焊接，打孔,32,激光应用技术,惯性约束核聚变（激光点火）,2024/9/20,33,激光应用技术,34,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,2024/9/20,36,一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,激光的特性,2024/9/20,37,1,、方向性,激光发散角小，可达,mrad,量级，接近于衍射极限。,2,、单色性,激光的谱线宽度很窄，单色性很好。,3,、高亮度,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。,4,、相干性,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,He-,Ne,激光器线宽可达,v,10kHz,，相干长度达,Lc,=,c,/,v,=30km,。,3.1.3,激光的特性,2024/9/20,38,1.,光与物质相互作用的经典模型,介质的极化强度为,:,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,:,3.2.1,光与物质相互作用的经典理论分析,3.2,激光产生与传播的基础,2024/9/20,39,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：,x,o(,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,:,其中,k,是弹性系数,m,为电子质量,是电子的固有频率,.,2024/9/20,40,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,:,考虑入射光场为简谐电场的情况,则,:,将其代入运动方程,可以求得解为,:,2024/9/20,41,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,.,2024/9/20,42,3.2.2,光辐射的量子理论基础,1.,三种跃迁,(1),受激吸收,受激吸收概率：,为爱因斯坦吸收系数,2024/9/20,43,(2),自发辐射,光子能量：,自发跃迁概率：,单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为：,于是有：,2024/9/20,44,(3),受激辐射,受激辐射的概率：,称为爱因斯坦受激发射系数。,2024/9/20,45,2.,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：,单位时间内，,的原子数数为：,由于系统处于热平衡状态，则应有：,即,：,2024/9/20,46,热平衡状态下， 按波尔兹曼分布：,即：,所以有：,2.,爱因斯坦关系,2024/9/20,47,热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：,比较两式有：,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：,2.,爱因斯坦关系,2024/9/20,48,三个爱因斯坦系数是相互关联的。,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。,结论：,2024/9/20,49,3.,光谱线展宽,单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为：,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。,2024/9/20,50,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：,光谱线的线性函数：,满足归一化条件：,于是：,3.,光谱线展宽,2024/9/20,51,由爱因斯坦系数可得：,设外来光辐射能量密度也是一个与频率有关的参量，于是：,考虑谱线展宽后，对于自发辐射：,可见：对自发辐射没有影响，,即自发辐射不受 影响。,2024/9/20,52,对于受激辐射：,可见受激跃迁粒子数改变与粒子体系的 及辐射场的 有关。,2024/9/20,53,4.,受激辐射下光谱线展宽的类型,（,1,）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,）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，,2024/9/20,54,均匀展宽包括：,1,）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。,由傅立叶变换得其频谱分布为：,2024/9/20,55,1,）自然展宽,于是自发辐射得功率为：,总功率为：,所以：,当,有：,2024/9/20,56,1,）自然展宽,因此有：,得：,于是有,也可写成：,2024/9/20,57,2,）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。,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：,线宽为：,2024/9/20,58,3,）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。,2024/9/20,59,非均匀展宽包括：,1,）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：,考虑气体分子热运动的速率统计分布：,2024/9/20,60,得：,于是有：,从而有,称为多普勒的线型函数，具有高斯函数形式，相应的线宽为,2024/9/20,61,当,时,（最大值）,也可表示为：,多普勒展宽实际上是一种统计结果。,2024/9/20,62,2),残余应力展宽,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起不同位置的粒子 不同，物质本身原子的无规则排列也会引起。,2024/9/20,63,3.2.3,光与物质相互作用经典结果的量子修正,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：,由受激跃迁得：,于是有,2024/9/20,64,均匀展宽时：,而经典得表达式为：,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,2024/9/20,65,3.2.4,光与物质体系相互作用的量子解释,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,单色辐射场的能量密度为：,2024/9/20,66,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,）连续辐射光场与粒子体系相互作用,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。,2024/9/20,67,2.,受激发射与光放大,激活介质的增益系数为：,所以有,又：,所以有：,2024/9/20,68,考虑谱线展宽，有,结论：,2024/9/20,69,先进战术激光系统,20090613,在,2009,年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验,2024/9/20,70,3.3.1,激光产生的必要条件,1.,粒子数反转,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，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，就会使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即。,3.3,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,充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）,2024/9/20,71,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：,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：,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：,由爱因斯坦关系得：,2024/9/20,72,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：,当物质处于热平衡时有,由于,于是粒子数分布总有,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。,2024/9/20,73,（,2,）粒子数反转,满足：,光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。,正常分布,2024/9/20,74,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,泵浦源,。,2.,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，（,R1,1,，,R21,）,2024/9/20,75,3.3.2,激光产生的充分条件,1.,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：,（为单程增益）,谐振腔两面分别有反射率 ，透射率 ，损耗 ，则：,光束在腔内往返一次强度的变化情况为：,2024/9/20,76,于是,可见，形成激光振荡条件为,激光振荡必须满足的最起码条件为,又因为,于是反转粒子数阈值公式为,2024/9/20,77,2.,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,2024/9/20,78,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。,2024/9/20,79,作业,受激辐射与自发辐射的区别,.,2024/9/20,80,3.4,激光器的基本结构及输出,3.4.1,激光器的基本结构,激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔,2024/9/20,81,三能级系统,1.,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,。,2024/9/20,82,四能级系统,2024/9/20,83,2.,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。,2024/9/20,84,3.,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：,或,2024/9/20,85,3.4.2,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,2024/9/20,86,2.,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,2024/9/20,87,3.5,激光器的种类,可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来分。,2.5.1,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。,1.,原子气体激光器,2.,离子气体激光器,3.,分子气体激光器,4.,准分子激光器,2024/9/20,88,准分子激光器,准分子激光是由气态氟化氩（,ArF,）在激发状态下激发的,“,冷激光,”,。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混合物而有不同波长的激光产生。波长范围为,157,353nm,。,2024/9/20,89,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,。,2024/9/20,90,原理图,2024/9/20,91,2024/9/20,92,He-Ne,激光器概述,诞生于,1960,年，,可见光及红外区：有,632.8nm,红光、和,1.15m,及,3.39m,632.8nm,氦氖激光器最大连续输出功率可达到一,W,，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,30,秒内的误差为,0.005,，十分钟内的误差为,0.015,的功率稳定度；,发散角仅为,0.5,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。氦氖激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。,2024/9/20,93,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。,2024/9/20,94,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。,2024/9/20,95,如何输出一种波长的光波？,3.39um,0.6328um,1.15um,He,Ne,能量转移,能级结构,2024/9/20,96,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；,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，从而使其增益下降,2024/9/20,97,He-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、谐振腔和激发的电源。,He-Ne,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,2,3mm,，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。管内主要按,5,：,1,10,：,1,的比例充入氦氖混合气体达到总气压约,2.66,3.99Pa,。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，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。,2024/9/20,98,He-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,15,20cm,，,He-Ne,激光器的半反射镜的半反射镜的反射率,98.5,99.5,。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过,0.1mm,。,2024/9/20,99,He-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。,2024/9/20,100,型号,腔长,(mm),模式,(TEM),功率,(mW),工作电流,(mA),50,500,00, 7,10,100,1000,00, 25,14-18,150,1500,00, 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,140X170,2024/9/20,101,2024/9/20,102,3.5.2,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。,2024/9/20,103,红宝石激光器结构,红宝石激光器结构原理,2024/9/20,104,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,2024/9/20,105,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,。,2024/9/20,106,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,。,2024/9/20,107,红宝石激光器原理,e1,e2,e3,2A,E,r1,r2,2024/9/20,108,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,-9,s,。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,-3,s,。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，通常红宝石激光器的输出波长为,694.3nm,。,2024/9/20,109,3.5.3,半导体激光器,与发光二极管类似。半导体,p-n,结为激活介质，加电（电注入）实现导带价带之间的粒子数反转，发出受激辐射，再由晶体解理面构成谐振腔对光进行放大，输出激光。,不同材料的半导体激光器输出波长不同，一般在,0.33m44m,之间。常见的,GaAs,输出波长为,0.83m0.91m,。,2024/9/20,110,半导体激光器,2024/9/20,111,半导体激光器,光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的，其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展。,led,，,ld,这些神气的电子器件便是这一发展的结果，尤其是近期有机光电材料的发展，更加是极大的推动着光电材料的进步。,首先半导体为什么会发光？,2024/9/20,112,半导体激光器,半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的,pn,结或,pin,结为工作物质的一种小型化激光器,.,半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼,(GaAs,),、砷化锢,(InAs),、氮化镓（,GaN),、锑化锢,(,InSb),、硫化镉,(,Cds,),、蹄化镉,(CdTe,),、硒化铅,(PbSe),、蹄化铅,(PbTe,),、铝镓砷,(A1,x,Ga,1-x,As),等,.,2024/9/20,113,半导体激光器,半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式,.,绝大多数半导体激光器的激励方式是,电注人,，即给,pn,结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管,.,对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上,.,它们所发出的波长在,0.3,-34um,之间,2024/9/20,114,半导体激光器,世界上第一只半导体激光器是,1962,年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法,(LPE),，气相外延法,(VPE),，分子束外延法,(MBE),MOCVD,方法,(,金属有机化合物汽相淀积,),，以及它们的各种结合型等多种工艺,.,2024/9/20,115,3.6,激光脉冲技术,普通激光器输出的光脉冲只是一群宽度只有微秒量级、强度不同的小尖峰脉冲序列。,激光短脉冲技术包括：激光调,Q,技术和激光锁模技术。,3.6.1,脉冲激光器的尖峰效应,不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光 脉冲的宽度大约是,ms,的数量级。而且这个脉冲并不是平滑的，包含着很多宽度更窄的短脉冲序列，其中每一个短脉冲宽度只在微秒量级，而且随着激励的增强短脉冲的时间间隔越小。这种现象被人称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应,2024/9/20,116,一个短脉冲的形成和消失,可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释,.,造成系统反转粒子数密度,增加的因素,是光泵的激励，其增加速率在一个短脉冲的长消过程中可以看成是不变的。使反转粒子数密度,减少的因素,是受激辐射，其减少速率则因腔内光子数密度的多少而变化。,一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示,:,2024/9/20,117,2024/9/20,118,由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：,(1),总在 附近振荡变化， 的总水平不高，因此，增益也就达不到较高的值总输出水平不会太高。,(2),在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间,较早，结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。,(3),激光脉冲不够平滑。,2024/9/20,119,3.6.2,激光调,Q,技术,调,Q,原理： 泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒子数密度增大，当积累达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是,Q,值突增，在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调,Q,脉冲。,谐振腔损耗包括：反射损耗、吸收、衍射、散射、透射损耗，不同的方法、控制不同类型的损耗，就形成不同的调,Q,方法。,2024/9/20,120,1.,转镜调,Q,技术,通过转镜来控制谐振腔的两个反射镜的平行度，从而控制损耗。如图：,2024/9/20,121,利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调,Q,的方法的技术，这种,Q,开关的延迟时间由材料本身的特性决定，不受人为控制，属被动调,Q,技术。,2.,染料调,Q,技术,2024/9/20,122,3.,电光调,Q,技术,晶体经过特殊方向切割后，在某个方向上加电压，就可以使通过它的线偏振光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向的改变有一定的函数关系，辅一光学器件就构成一个快速光开关，达到调,Q,目的。,2024/9/20,123,4.,声光调,Q,技术,声光器件在腔内按布拉格条件放置，外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格偏折，偏离了轴向，此时腔内损耗严重，,Q,值很低，不能形成振荡，但这一阶段使粒子在亚稳态上大量积累，一段时间后，撤销外加声场，光无偏折通过晶体，,Q,值突然增大，从而输出强的脉冲。,2024/9/20,124,3.6.3,激光锁模技术,激光器有多个振荡模式，它们是非相干的，各自独立的。把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定的方法成为锁模。,调,Q,技术是压缩激光脉冲宽度，提高峰值功率的一种办法，其脉宽下限决定于光子平均驻腔寿命，约为纳秒量级，称为短脉冲。,锁模技术可以获得更窄的脉冲，称为超短脉冲。,2024/9/20,125,锁模方法有以下几种：,1.,主动锁模,2.,被动锁模,3.,自锁模,2024/9/20,126,3.7,激光选模技术,限制参与振荡的模式的相关技术称为激光选模技术，一般分四类：激光谱线选择、激光偏振选择、压缩振荡激光束的发散角（横模选择技术）、限制激光振荡频谱数目的纵模选择技术。,1,激光谱线选择,在腔内放置棱镜，通过调整棱镜位置只让需要的波长到达高反射棱镜，完成反馈过程。,2024/9/20,127,2,偏振选择,在气体激光器两端放置布儒斯特窗，可使腔镜上反射回来进入工作物质的光束中，,TM,无损通过，形成振荡。而,TE,受高反射损耗，难以形成振荡。,3,横模选择,通过控制光腔横向尺寸，从而只让基横模,TEM00,振荡，其他高阶模都不满足振荡条件。,横模选择的原则：,（,1,）增大横模与基横模的衍射损耗比,（,2,）减少激光工作物质的内部损耗和镜面损耗，以及增大谐振腔的衍射损耗在总损耗所占比重。,2024/9/20,128,4,纵模选择,激光物质的增益线宽是有限的，因而纵模是无源光场允许的分立频率成分的光场。,3.8,其他的激光技术介绍,激光稳频技术： 解决频率漂移而发展起来的激光技术。,激光调制技术：激光作为载波，将信息加载到其上的技术。,激光偏转技术：将激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描。,激光倍频技术：利用非线性效应，将光变换为原频率的整数倍的相干光。,2024/9/20,129,总结,本章的重点内容：（交作业）,1,、相干光源与非相干光源的区别是什么？,2,、光与物质相互作用的形式有哪几种方式？推导爱因斯坦系数的关系。,3,、谱线展宽的概念及其展宽的几种类型？,4,、产生激光的条件是什么？组成激光器的主要部分以及每部分的作用是什么？,5,、气体、固体以及半导体激光器的工作原理是什么？以一种典型的材料为主展开介绍。,2024/9/20,130,总结,6,、激光的调,Q,技术和锁模技术指什么？分别采用什么方法？（要参考激光原理一书）,2024/9/20,131,Energy band diagram,2024/9/20,132,The density of states and energy distribution of E and H,2024/9/20,133,GaAs homojunction laser diode,2024/9/20,134,Output properties,