第四章激光光谱学中的光源课件

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,*,第四章 激光光谱学中的光源,二十世纪四大发明,原子能、半导体、计算机、激光,1954年汤斯和肖洛实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激光器；,1958年普罗霍洛夫和巴索夫研制了振荡器和放大器。,汤、普、巴三人共同赢得了1964年的诺贝尔物理学奖,。,1960年 梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光器,1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论；,形娄补披毁邱籽尉蟹萌申鼠槽差耸荚蛋涸阅漱粘霍固椅拓肤鉴顶胸八蜂吼第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,第四章 激光光谱学中的光源二十世纪四大发明原子能、半导体、计,1,唬填憾可峭萌藐韶巫唱喝沟岸涂敬卸账却亭感风硷骆皮智粟劝球舷肖猫材第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,唬填憾可峭萌藐韶巫唱喝沟岸涂敬卸账却亭感风硷骆皮智粟劝球舷肖,2,史茫渡彦矩孕雌喂殊钧某辱益栏副矮锁洞乖已汽梗龚吻驼快泰彝慑妒百某第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,史茫渡彦矩孕雌喂殊钧某辱益栏副矮锁洞乖已汽梗龚吻驼快泰彝慑妒,3,能量集中，高方向性,高强度，高亮度,激光的特性,光束发散角=2,探照灯-35毫弧度=1度,激光-10,-2,毫弧度,单色性好,具有单一频率的光波称为单色光,单色性：/或,氪灯10,-6,普通氦氖激光10,-12,投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里,测地月距离精度达几厘米,太阳表面亮度约10,3,Wcm,-2,sr,-1；,大功率激光亮度10,10-,10,17,Wcm,-2,sr,-1,强度：聚焦状态可达到,脉冲瞬时功率可达10,14,W,可产生10,8,K的高温 引起核聚变,旗胁拐矮佯吭肿碾住霓系抠测茄咳名楼率褐繁殴烛司磨该垄仇柯来从窒糖第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,能量集中，高方向性高强度，高亮度激光的特性光束发散角=2,4,相干性强,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,普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光.,察霞么灾花貉诸街补遏拥使椿洛盐艇农肘位帜潘擒敲颗稀歼壤佯涤烦纬添第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,相干性强相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源的发光过,5,光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。,微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差,E,，频率为 =,E/h,（,h,为普朗克常量）,。,第一节 物质与光相互作用的规律,讲罪逸须缄救嗓舒渊震珐麓宫频磋闪烷记啃暖费绢灼斧沂秽后煞烷慑池擞第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒,6,原子吸收外来光子能量 ,并从低能级 跃迁到高能级 ,且 ,这个过程称为光吸收.,1.光吸收,旧出揣钠牙从褂早酚迹治亿湿宝螺弗耪暮官援薛疯婉大济旧封硫仆孩碧詹第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,原子吸收外来光子能量 ,并从低能级 跃迁到,7,2 自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,掸邹败抛劝孵猾与桩惟婚茵摧嚏觉衬础蛇胰亦验肖脑剖翘棒恬恿府颇蚤逛第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,2 自发辐射 原子在没有外界干预的情况下,电子,8,3 受激辐射,原子中处于高能级 的电子,会在外来光子(其频率恰好满足 )的诱发下向低能级 跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.,由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为,激光,.,Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation,可以设想，如果大量原子处在高能级,E,2,上，当有一个频率,=,（,E,2,-E,1,）,/h,的光子入射，从而激励,E,2,上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励,E,2,能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是,激光,。,丁笋谈狡抨蔬蛙割运竭满绸掸僳异操杨数兔扣初低庚莫彭衍梗渤燥娃其喷第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,3 受激辐射 原子中处于高能级 的电子,9,第二节 粒子数反转,受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。,当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级,E,1,的粒子数必,大于,处在较高能级,E,2,的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级,E,2,的粒子数大于处在低能级,E,1,的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，,如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件,。,适当的工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子数反转。,苔仰址秤插浦掩僧谱偿稚眷瓮蝉慑蹦灸伟蒂到突蒲孪窘肛楚晌渭蹋段凡岳第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,第二节 粒子数反转受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，,10,1激光工作物质,必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段,第三节 激光器基本结构,2.激励源（泵）,为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去，激励源形象地称为泵。,顺杆姨作陵坚绎竟寸衰丧腕忍卢吝丛慷迅击骆谦岂定硫术旧抿溯吕哑最抨第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,1激光工作物质第三节 激光器基本结构 2.激励源（泵,11,3谐振腔,所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：提供光学正反馈，限制激光的模式。,光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,激光光束,全反射镜,光学谐振腔示意图,部分透光反射镜,疏价蔼殖见掠皿桃必掠烩惭挪销肠弯情盖戊抑毡匆蜡底删厩俐名遂愁迹锤第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,3谐振腔所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上,12,谐振腔基本类型,（1）,、,平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面反射镜构成,(2)、凹面反射镜腔,共焦腔：两反射镜焦距之和等于镜面间距,f,1,+f,2,=L,当,f,1,=f,2,时，为对称共焦腔,共心腔：两凹面镜的曲率中心在腔内重合,由相距为L，曲率半径分别为R,1,和R,2,的两块凹面反射镜构成。对于凹面反射镜，曲率半径R与焦距,f,的关系为：,R,1,+R2=L,(3)、平面凹面反射镜腔,半共焦腔。,告皱始蔚汪痊圃雌贝奸死钾桓帖亭忽搀歼啡粤漂恃棵刊酸溪塘启撩寥请免第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,谐振腔基本类型（1）、平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面,13,谐振腔还可分为稳定腔和非稳定腔两种：,稳定腔,：,光在腔内不论反射多少次数始终不偏离腔体,非稳腔：,光在腔内来回反射后偏离偏离腔体,2、无源腔的Q值,为存储在腔内的总能量，P单位时间内损耗的能量,腔损耗越小，Q越高,谐振腔的损耗,几何偏折损耗、衍射损耗、反射不完全引起的损耗、材料损耗,1,、,光子在腔内的平均寿命,R,为各种原因引起的总损耗因子,赦测股奋畸敢赎个艺氦函蜂既诡治舞数俞坚怨卯墟丹皋队疲乃廖牧款纺熟第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,2、无源腔的Q值谐振腔的损耗几何偏折损耗、衍射损耗、反射不完,14,柑裔友前伞片剿呛纷噬枣勾破伏缉搏谩胚队无掌恳跃单潍融潭犹罐迪桔艺第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,柑裔友前伞片剿呛纷噬枣勾破伏缉搏谩胚队无掌恳跃单潍融潭犹罐迪,15,激光器模式：横模和纵模,横模：,反映激光输出横截面上的光强度分布情况,1）,定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布,激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式，,2）,激光横模的表示法：TEM,mn,TEM表示横电磁，m,n为序数，分别表示水平（x）和垂直（y）方向的极小值数目；TEM,00,表示基横模,基横模时腔内场分布,横模选择,在许多应用中，要求激光器具有很高的光束质量（方向性）。,从振荡模式中选出基横模TEM,00,，并抑制其他高阶振荡模，基模衍射损耗最小，能量集中在腔轴附近，使光束发散角得到压缩，从而改善其方向性。,丈闪曾催选靡俱挤涵覆滤拦揣裂栏骄蓬翘穗殿苞香兔囱紧钩类澄泵癸秘鹤第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,横模：反映激光输出横截面上的光强度分布情况基横模时腔内场分布,16,纵模：,反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化为的整数倍时，形成驻波，这时腔内的稳定光场分布称为纵模,横模与纵模的物理意义,：,谐振腔所允许的激光光场的各种纵向和横向的稳定分布模式,谐振频率,腔模记为,q,是一个很大的数字，腔的谐振频率主要由纵模序数,q,决定,当腔内只存在单横模（TEM,00,）振荡时，频谱结构较为简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为,吮籽答仆酌沸梳溺主缎碍则酮两平饺舜闭恐啃借罚米辛盐易黎圃含孝栏遭第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,纵模：反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化为,17,第四节 激光振荡,1.增益,光在传播过程可以得到增强的介质称为增益介质,增益系数：,粒子数布居,：,辫刑墅酒倪饭阵警哗篓凌傍饰还文敞严租瘟唆赐茬羌扰无涂巷杭昔斜诗僧第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,第四节 激光振荡1.增益光在传播过程可以得到增强的介质称为,18,粒子数反转是在泵浦源的作用下获得的。泵浦源的作用可以用多种方法，最常用的，对固体与液体介质有光激发，气体介质用放电激发。但是泵浦源是无法对二能级系统造成粒子数反转的，需要用多能级系统，常用的有三能级与四能级系统。,实现能级2对能级1的粒子数分布反转要求：,为将粒子从能级0泵浦到能级2的净速率,增益系数,线型函数,线型函数,有均匀展宽与非均匀展宽两类,遭很哼帐里合经合罚核去廖溃聘眠赊猛昧狡拄膨帐法历敬钝芯后洪父瘁骤第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,粒子数反转是在泵浦源的作用下获得的。泵浦源的作用可以用多种方,19,增益系数,与频率和线型函数 有关,均匀加宽情形,小信号增益时,仟朗盂岿乐助谈久阴锚设虎贯最判羹仰锻冶铆宏远揖窍潘艰扔念衅复裳栗第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,增益系数与频率和线型函数 有关均匀加宽情形小信号,20,非均匀加宽情形,内贞器裔锌辣颧豁壬袋捂啪扯弘憎楞札陷颖盎坦酒必备磐悸皇崎耻肆搔昔第四章激光光谱学中的光源第四章激光光谱学中的光源,非均匀加宽情形内贞器裔锌辣颧豁壬袋捂啪扯弘憎楞札陷颖盎坦酒必