激光原理技術(shù)及應(yīng)用第一章第二章、

1、激光原理 上課時(shí)間：18周，復(fù)習(xí) 1周 成績(jī)計(jì)算：考勤（10分），作業(yè)（30分），考試（60分） 參考書：激光原理技術(shù)及應(yīng)用 李相銀等，哈工大出版社 激光技術(shù)， 藍(lán)信鉅 等， 科學(xué)出版社 激光原理， 周炳琨 等，國(guó)防出版社qq: 422575911 Email: 課時(shí)及考試形形色色的激光 激光的原理及技術(shù)基礎(chǔ) 激光工作物質(zhì)及基本原理 光學(xué)諧振腔 激光器工作原理 典型的激光器件 激光技術(shù)教學(xué)內(nèi)容 激光：Laser （light amplification by stimulated emission of radiation) 理論：量子理論 1917 愛因斯坦（美）

2、誕生：紅寶石激光器 1960年 梅曼 （美） 半導(dǎo)體激光器 1960 年 尼古拉 .巴索夫（蘇） 條形碼掃描器：1974 激光盤播放機(jī):1978 CD播放機(jī)：1982 光纖：1988 歐美第一章 激光的原理及技術(shù)基礎(chǔ) 500萬(wàn)億瓦，1000倍美國(guó)，400倍中國(guó) 2012年192束 三個(gè)足球場(chǎng) 10億分之一秒，2mm國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF) 2013,4000萬(wàn)度East托卡馬克 2001建成 2011年升級(jí) 1013瓦 6kJ/ns 240mm口徑神光二號(hào) 信息傳播，存儲(chǔ) 加工系統(tǒng)： 激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng) 軍事科技： 激光光譜、激光雷達(dá)、激光武器。 工業(yè)： 激光打標(biāo)、激

3、光打孔、激光裁床、激光切割、激光繡花，激光熱處理，激光快速成型。激光的應(yīng)用 醫(yī)療衛(wèi)生： 激光生命科學(xué)研究、激光診斷、激光治療。 炫酷： 影像在空中投影，手表上就可以沒有表面，中間懸空顯示時(shí)間， 日常生活： 激光滅蚊，也能分辨雌蚊子和雄蚊子之類光子的基本性質(zhì) 一：高方向性高方向性和空間相干性空間相干性 探照燈：平面發(fā)散角 10 mrad W=L 激光器：平面發(fā)散角 10-4 mrad 激光器的平面發(fā)散角： ：波長(zhǎng) D：光束直徑1.1 激光的特點(diǎn) 例題: 激光器的波長(zhǎng)=2 m, 其輸出孔徑為2m, 當(dāng)其傳播到100km距離時(shí)，激光束的直徑約為多少？激光平面發(fā)散角為多少？（1.22m） 相干光：頻率

4、、偏振方向相同，位相差恒定 同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的 空間相干性：橫向相干性空間相干性：橫向相干性 相干長(zhǎng)度相干長(zhǎng)度： 相干相干截面截面： 在光束整個(gè)截面內(nèi)的任意兩點(diǎn)間具有完全確定的相位在光束整個(gè)截面內(nèi)的任意兩點(diǎn)間具有完全確定的相位關(guān)系的光場(chǎng)振動(dòng)是完全相干的。關(guān)系的光場(chǎng)振動(dòng)是完全相干的。1.1 激光的特點(diǎn)1.1 激光的特點(diǎn)二二、單色性和時(shí)間相干性、單色性和時(shí)間相干性 計(jì)算：計(jì)算：1 為使氦氖激光器的相干長(zhǎng)度達(dá)到為使氦氖激光器的相干長(zhǎng)度達(dá)到1km，它的單色性應(yīng)該是多少？它的單色性應(yīng)該是多少？(波長(zhǎng)波長(zhǎng)632.8nm) 2 普通光源氪燈發(fā)出的

5、波長(zhǎng)605.7nm，低溫下其譜線半寬度0.4710-6m, 求其相干長(zhǎng)度。 相干光源：高的相干光強(qiáng)、大相干面積、長(zhǎng)相干時(shí)間 激光：高單色性、高定向性。 單色亮度： 太陽(yáng)光：2.610-12W/(cm2.Sr.Hz) 氣體激光器： 10-2102 W/(cm2.Sr.Hz) 固體激光器： 10103 W/(cm2.Sr.Hz) 調(diào)Q大功率激光器：104107 W/(cm2.Sr.Hz)1.1 激光的特點(diǎn)三、高亮度和光子簡(jiǎn)并度1.1 激光的特點(diǎn)三、高亮度和光子簡(jiǎn)并度 作業(yè)：p21 T3,4 T3: 譜線寬度，半寬度？ 0.6310-9，是科學(xué)計(jì)數(shù)法？ T4 頻率61014 Hz單位？ 簡(jiǎn)并度的計(jì)算

6、出現(xiàn)數(shù)量級(jí)錯(cuò)誤？ 有效數(shù)字問題8.18210-3還是8.1810-3的問題 原子的內(nèi)能：電子動(dòng)能+位能 能級(jí)：分離的能級(jí) E2, E1 自發(fā)輻射 受激吸收 受激輻射1.2 激光的產(chǎn)生一 原子能級(jí) E1：基態(tài)能級(jí) E2: 激光輸出能級(jí)（亞穩(wěn)態(tài)） E3: 抽運(yùn)激光上能級(jí) 量子數(shù)反轉(zhuǎn)：E2和E1 紅寶石激光器 半數(shù)以上的粒子抽運(yùn)1.2 激光的產(chǎn)生一 、三能級(jí)系統(tǒng) E4: 抽運(yùn)能級(jí) E3: 激光輸出能級(jí) E2: 激光最終能級(jí) E1: 基態(tài)1.2 激光的產(chǎn)生三 、四能級(jí)系統(tǒng) 上能級(jí)E2： g2能態(tài)，粒子數(shù)密度:n2 下能級(jí)E1：g1能態(tài),粒子數(shù)密度:n1 熱平衡：E2E1, T0 有： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：1.

7、2 激光的產(chǎn)生 四、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件 激光工作物質(zhì)： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光 固體、液體、氣體、自由電子 泵浦源： 光能、電能、化學(xué)能、原子能 光學(xué)諧振腔: 全反射鏡，部分透射鏡1.3 激光器的基本組成 一、基本結(jié)構(gòu) 凹面反射鏡： 凸面反射鏡： 平面反射鏡： 其中R: 曲率半徑，f:焦距 S: 物距，S: 相距1.3 激光器的基本組成 一、基本結(jié)構(gòu)幾種諧振腔：半共焦腔非共焦平凹腔1.3 激光器的基本組成 一、基本結(jié)構(gòu) 波長(zhǎng)：X射線到毫米波波段 功率密度：1019 W/cm2 脈沖：610-15 s 1 固體激光器：廣泛 ；紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、釹玻璃激光器、鈦寶石； 2.氣體激光器：He-Ne,

8、 He-Gd, Ar+, N2, CO2, 準(zhǔn)分子激光器大功率 3.半導(dǎo)體激光器：小，長(zhǎng)壽，價(jià)低1.3 激光器的基本組成 二、激光器種類 4 染料激光器：連續(xù)調(diào)諧 5.化學(xué)激光器：波長(zhǎng)范圍大，定向能武器，HF 2.7um， 3MW 6.自由電子激光器1.3 激光器的基本組成 二、激光器種類 光線在諧振腔內(nèi)的行為 穩(wěn)定腔：能保證光在腔內(nèi)來回反射始終不離開諧振腔的腔。 雙凸腔： 為非穩(wěn)腔1.4 光線在諧振腔內(nèi)的行為和腔的穩(wěn)定條件 共焦腔條件：R1=R2=R L=R f1=f2=f=R/2光線在共焦腔內(nèi)的行為凹面鏡組成的非穩(wěn)諧振腔 穩(wěn)定腔 腔長(zhǎng)L， 曲率半徑R1, R2, 記 J1=1-L/R1,

9、J2=1-L/R2 穩(wěn)定腔條件： （1）平凹腔： R2L (2) 雙凹腔：R1L, R2L, 或R1L, R2L (3)凹凸腔：R1L, R1+R2R1-L穩(wěn)定條件 非穩(wěn)腔：J1J21 或 J1J20，傍軸光線有限溢出腔外 （1）雙凸腔 （2）平凸腔 （3）平凹腔 0RL, (4) 雙凹腔： R1L, 即J1J20或 R1+R21 （5）凹凸腔: R20, 0R1L, 即J1J20或R2L, 即J1J21。R1，R2分別為凹、凸面鏡的曲率半徑非穩(wěn)腔 J1J2=0或J1J2=1的腔。 （1）對(duì)稱共焦腔： R1=R2=L, 即J1=0, J2=0； （2）平行平面腔：J1=J2=1 （3）共心腔：

10、L=R1+R2, J1J2=1 臨界腔介于穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔之間。臨界腔 振蕩模式：振蕩頻率和場(chǎng)強(qiáng)的空間分布。 電磁場(chǎng)空間分布：沿傳播方向（腔軸方向）的E（z), 垂直于傳播方向：E(x,y)。 在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場(chǎng)的本征態(tài)。1.5 激光振蕩模式 縱模，沿腔軸線方向電磁場(chǎng)的本征態(tài)，縱向光場(chǎng)分布. 縱模數(shù)多，單色性差。 橫模，在腔中垂直腔軸方向的電磁場(chǎng)的本征態(tài)，橫向光場(chǎng)分布光腔模式 諧振條件：形成激光 a, b, c 相位差2的整數(shù)倍 設(shè)腔長(zhǎng)L, 折射率，則： 由諧振條件： 諧振頻率： 諧振頻率間隔差：激光的縱模 腔長(zhǎng)30cm的He-Ne激光器 線寬1.5109Hz， 頻率間隔： L=10cm的

11、He-Ne激光器 Ne原子發(fā)射波長(zhǎng)0.6328um的熒光線寬1.5109Hz。 單縱模激光器 多縱模激光器：L=30cm時(shí)，線寬5108Hz，出現(xiàn)三個(gè)縱模 影響縱模數(shù)的因素：熒光線寬，諧振頻率間隔 線寬越大，縱模數(shù)越多； 諧振腔的頻率間隔越小(L越大）， 縱模數(shù)越多 CO2, 10.6um 光譜線寬度：108Hz，腔長(zhǎng)1m，頻率間隔：=c/2L=1.5108Hz，單縱模 氬離子激光器0.5145um， 光譜線寬度6.0108Hz， 腔長(zhǎng)1m時(shí)縱模間隔：1.5108Hz，多模 Nd3+-YAG 1.06um的光譜線寬度1.951011Hz，多模 橫向強(qiáng)度分布 TEMmnq， mn， 橫模指數(shù)，m

12、,n越大，圖形越復(fù)雜，偏離光傳播軸線越遠(yuǎn) 基橫模光強(qiáng)高斯形，光場(chǎng)分布均勻。高階橫模分布不均勻，發(fā)散角大。 q 縱模指數(shù), q越大，縱模數(shù)越多激光的橫模 減少激光模式數(shù)，改善方向性，提高單色性；激光選模由 0J1J21 作圖：J1=1-L/R1, J2=1-L/R2，一個(gè)光學(xué)諧振腔（R1,R2,L)對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)如平凹腔：LR2時(shí)，光子數(shù)增加 平行平面腔反射率r1、r2, 不完全反射 損耗系數(shù)r： 則： 諧振腔內(nèi)損耗內(nèi)， 則總損耗因子為： 光強(qiáng)隨距離z變化： 閾值條件：激光振蕩閾值條件 諧振腔品質(zhì)因子Q: 知： 則： 由 得：諧振腔的品質(zhì)因子與光譜線寬度 自然加寬： Q值越高，線寬越窄，單色性越好

13、穩(wěn)定的激光增益等于損耗， Q值無(wú)窮大； 自發(fā)輻射的影響 縱模頻率： 頻率漂移：折射率和溫度 He-Ne激光器， 百分之一， 106Hz，單模激光的線寬極限 2.1 黑體輻射與普朗克公式 絕對(duì)黑體：完全吸收投射于它的任何頻率的電磁輻射的物體。 熱輻射（溫度輻射）：從任一物體發(fā)出 的電磁輻射。 黑體輻射：黑體內(nèi)部輻射的能量等于 吸收能量時(shí)，黑體內(nèi)部存在的輻射場(chǎng)。第二章 激光工作物質(zhì)及基本原理 黑體輻射是黑體溫度T和輻射頻率的函數(shù) 單色能量密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)頻率處于附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量。單位：J.m-3.s 與腔體的材料和結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。 普朗克： 光量子：0=h黑體輻射 模式：振子的振動(dòng)狀態(tài)

14、。 溫度T的熱平衡條件下，黑體輻射分配到每個(gè)模式上的平均能量： 單位體積、頻率在d間隔的光波模式數(shù)： 黑體輻射普朗克公式： 玻爾茲曼常數(shù)k=1.3806210-23 J/oC普朗克公式 黑體輻射是輻射場(chǎng)和物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果。 自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收 自發(fā)輻射光和物質(zhì)的三種相互作用 自發(fā)輻射幾率A21：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能態(tài)上的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)（dn21/dt)與n2的比值 (dn21)sp為自發(fā)輻射引起的由E2向E1躍遷的原子數(shù) 單位時(shí)間內(nèi)E2能級(jí)上減少的粒子數(shù)密度： 則有：自發(fā)輻射 由能級(jí)平均壽命： 得： 比較： 得： A21： 自發(fā)輻射躍遷愛因斯坦系數(shù) s ： 自發(fā)輻射壽

15、命 受激吸收躍遷：處于低能級(jí)E1的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)能量為h的光子并向E2能級(jí)躍遷。 受激輻射躍遷幾率W12： A21只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，W12與原子本身和輻射場(chǎng)的成正比： B12： 受激輻射愛因斯坦系數(shù)，只與原子性質(zhì)有關(guān)受激吸收 受激輻射：處于高能級(jí)E2的原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低能級(jí)E1并輻射一個(gè)能量為h的光子，受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。 受激輻射躍遷幾率： B21:受激輻射愛因斯坦系數(shù)。受激輻射 熱平衡時(shí)： 即： 得： 由于： 及玻爾茲曼分布律： 得愛因斯坦關(guān)系式 要對(duì)任意h/kT都成立，必須有系數(shù)相等，當(dāng)T趨向正無(wú)窮大時(shí)，有三種相互作用的

16、愛因斯坦關(guān)系式 當(dāng)g1=g2時(shí)，有： 熱平衡態(tài)的黑體輻射得出，適用于激光產(chǎn)生過程愛因斯坦關(guān)系式 自發(fā)輻射和受激輻射 T=1500K，500nm的輻射，自發(fā)輻射為受激輻射的2109倍。自發(fā)輻射和受激輻射比較 常溫下： 即光入射后，因吸收而衰減受激輻射和受激吸收比較 單一頻率自發(fā)輻射 單位體積內(nèi)原子發(fā)出的自發(fā)輻射功率： 譜線加寬：由于各種物理因素的影響，自發(fā)輻射功率分布在（E2-E1)/h附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。 自發(fā)輻射為功率的函數(shù)p（） 總功率:譜線加寬及譜線寬度 歸一化線形函數(shù) 譜線寬度：半極大值處對(duì)應(yīng)的頻率寬度譜線寬度 均勻加寬：加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的 包括：自然加寬、碰撞加寬及晶格振動(dòng)加寬 自然加寬：自發(fā)輻射躍遷引起的加寬。