第1講激光產(chǎn)生的基本原理

1、沈陽工業(yè)大學理學院 楊玉東1.1 激光原理簡介激光原理簡介一、原子的激發(fā)和輻射一、原子的激發(fā)和輻射二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 三、光學諧振腔三、光學諧振腔四、激光的特點四、激光的特點五、激光器種類五、激光器種類六、應用六、應用激光激光：受激輻射的光放大受激輻射的光放大Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation世界上第一臺激光器誕生于世界上第一臺激光器誕生于1960年，紅寶石激光器年，紅寶石激光器中國中國1961年年 基本原理是基于基本原理是基于1917年愛因斯坦提出的年愛因斯坦提出的受激輻射理論受激輻射理論一、

2、原子的激發(fā)和輻射一、原子的激發(fā)和輻射E2E1N2N1h 1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的會自發(fā)躍遷到低能級會自發(fā)躍遷到低能級同時放出一個光子同時放出一個光子這個過程叫這個過程叫自發(fā)輻射自發(fā)輻射 設設 N1 、N2 為處于為處于E1 、E2能級的原子數(shù)能級的原子數(shù)E2E1N2N1h 則在單位時間內(nèi)從則在單位時間內(nèi)從E2 E1自發(fā)輻射的原自發(fā)輻射的原子數(shù)為子數(shù)為 21212ddNA Nt21 自發(fā)輻射系數(shù)自發(fā)輻射系數(shù)- - 單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的概率單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的概率 2. 受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 另有某個能量為另有

3、某個能量為E2的高能級的高能級若原子處在某個能量為若原子處在某個能量為E1的低能級的低能級當入射光子的能量當入射光子的能量h 等于等于E2 E1時時原子就可能原子就可能吸收吸收光子光子而從低能級躍遷到高能級而從低能級躍遷到高能級這個過程叫這個過程叫受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 設設 N1 、N2 分別為處于分別為處于E1 、E2能級的原子數(shù)能級的原子數(shù)則單位時間內(nèi)因吸收光子而從則單位時間內(nèi)因吸收光子而從 E1E2 的原子數(shù)為的原子數(shù)為12121ddvNBNt B12 - 吸收系數(shù)吸收系數(shù) 是頻率是頻率 = (E2 E1) / h附近單位頻率間隔內(nèi)輻射場的能量密度附近單位頻率間隔內(nèi)輻射場的

4、能量密度B12 -單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激吸收過程的概率單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激吸收過程的概率3.受激輻射受激輻射若入射光子的能量若入射光子的能量h 等于原子高、低能級的能量差等于原子高、低能級的能量差E2 E1且高能級上有原子存在時且高能級上有原子存在時入射光子的電磁場就會入射光子的電磁場就會誘發(fā)誘發(fā)原子從高能級原子從高能級躍遷躍遷到低能級到低能級 同時，放出一個與入射光子同時，放出一個與入射光子完全相同完全相同的光子的光子h E2E1N2N1全同光子全同光子: :頻率頻率 相位相位 振動方向振動方向 傳播方向傳播方向 相同相同單位時間內(nèi)從單位時間內(nèi)從E2 E1的受激輻射的原子數(shù)為的

5、受激輻射的原子數(shù)為21212ddvNBNtB21 -單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率 B21- 受激輻射系數(shù)受激輻射系數(shù) 是頻率是頻率 = (E2 E1) / h附近單位頻率間隔內(nèi)輻射場的能量密度附近單位頻率間隔內(nèi)輻射場的能量密度h E2E1N2N1A21 、B21 、B12 統(tǒng)稱為愛因斯坦系數(shù)統(tǒng)稱為愛因斯坦系數(shù)1917年，愛因斯坦從理論上得出：年，愛因斯坦從理論上得出：3211238hABc B21 = B1233/811vhv kThce 普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射公式二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N2 N1 粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)粒子數(shù)布居

6、反轉(zhuǎn)因為因為 B21=B12要產(chǎn)生光放大必須要產(chǎn)生光放大必須 2112ddNN受激輻射受激輻射受激吸收受激吸收12121ddvNBNt21212ddvNBNt2. 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必備條件實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必備條件為了促使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的出現(xiàn)為了促使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的出現(xiàn)必須用一定的手段去必須用一定的手段去激發(fā)原子體系激發(fā)原子體系1) 依靠泵浦源激發(fā)原子依靠泵浦源激發(fā)原子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)是非非熱平衡態(tài)熱平衡態(tài)激發(fā)的方式可以有光激發(fā)和原子碰撞激發(fā)等激發(fā)的方式可以有光激發(fā)和原子碰撞激發(fā)等這稱為這稱為“泵浦泵浦”或或“抽運抽運”有三能級或三能級以上的能級系統(tǒng)有三能級或三能級以上的能級系統(tǒng)上能級應為上能

7、級應為“亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)”（自發(fā)輻射系數(shù)小）（自發(fā)輻射系數(shù)?。?) 合適能級分布的工作物質(zhì)合適能級分布的工作物質(zhì)紅寶石中鉻離子能級示意圖紅寶石中鉻離子能級示意圖1E2E基態(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)3E下能級不應是基態(tài)下能級不應是基態(tài)而且對下下能級的自發(fā)輻射要大而且對下下能級的自發(fā)輻射要大三、光學諧振腔三、光學諧振腔激勵能源激勵能源全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光為了為了強化強化光放大，應使受激輻射光反復光放大，應使受激輻射光反復多次通過多次通過工作物質(zhì)工作物質(zhì)實現(xiàn)這一目的的裝置是實現(xiàn)這一目的的裝置是光學諧振腔光學諧振腔在激活物質(zhì)兩側(cè)配置兩個反射鏡，就構(gòu)成了一個在激活物質(zhì)兩側(cè)配置兩個

8、反射鏡，就構(gòu)成了一個“光學諧振腔光學諧振腔”光學諧振腔的作用光學諧振腔的作用1 )使激光具有極好的使激光具有極好的方向性方向性（沿軸線）（沿軸線）2 )增強增強光放大光放大作用（相當于延長了工作物質(zhì)）作用（相當于延長了工作物質(zhì)） 3 )使激光具有極好的使激光具有極好的單色性單色性（選頻）（選頻）小結(jié)小結(jié): 激光器的三個主要組成部分激光器的三個主要組成部分1.工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：2.激勵能源：激勵能源：有合適的能級結(jié)構(gòu)有合適的能級結(jié)構(gòu) 能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3.光學諧振腔：光學諧振腔：保證光放大保證光放大使激光有良好的使激光有良好的方向性和單色性方向性和單色性使原子激發(fā)使原子激發(fā) 維持

9、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔諧振腔例：例： He Ne 氣體激光器的工作原理氣體激光器的工作原理He是輔助物質(zhì)是輔助物質(zhì) Ne是工作物質(zhì)是工作物質(zhì)He與與 Ne之比為之比為5 1 10 1 NeHe101 2s s S311 2s s S101 1s s S共振傳共振傳遞遞523ps525ps524ps523pp632.8nm62p自發(fā)輻射自發(fā)輻射1130,1,2PP1130,1,2PP11101233310,1,20,1,2P DPDSS氖原子氖原子在在 間間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)525ps523pp3321PS四、激光的特點四、激光的特點1.方向性極好方向性極好小到小到10 - 1

10、5 脈沖瞬時功率可達脈沖瞬時功率可達10 14 W3. 強度極高強度極高聚焦狀態(tài)可達到聚焦狀態(tài)可達到217W/cm10 I可產(chǎn)生可產(chǎn)生108K的高溫的高溫 引起核聚變引起核聚變激光器能產(chǎn)生寬度極窄的光脈沖，激光器能產(chǎn)生寬度極窄的光脈沖，使用調(diào)使用調(diào)Q技術(shù)的激光器，可輸出脈寬技術(shù)的激光器，可輸出脈寬10-9s左右的光脈沖，使用左右的光脈沖，使用鎖模技術(shù)，可產(chǎn)生鎖模技術(shù)，可產(chǎn)生10-14s的光脈沖。的光脈沖。由于能量被集中在極短的時間內(nèi)發(fā)射出來，因此光功率極高。由于能量被集中在極短的時間內(nèi)發(fā)射出來，因此光功率極高。 2、按工作方式分：按工作方式分：連續(xù)式連續(xù)式脈沖式脈沖式 3、按波長分：按波長分：

11、 極紫外極紫外可見光可見光紅外紅外/遠紅外遠紅外五、激光器種類：激光器種類：固體（如紅寶石固體（如紅寶石Al2O3:Cr，YAG:Nd) 液體（如染料激光器）液體（如染料激光器）氣體（如氣體（如He-Ne，CO2）半導體（如砷化鎵、半導體（如砷化鎵、GaAs、InGaN）1 1、按工作物質(zhì)分：、按工作物質(zhì)分： 軍事：激光制導、激光武器軍事：激光制導、激光武器 加工：光刻、焊接、加工：光刻、焊接、切割、打孔、雕刻切割、打孔、雕刻 醫(yī)療：美容、手術(shù)醫(yī)療：美容、手術(shù) 核技術(shù)：核聚變點火核技術(shù)：核聚變點火 生活：光纖通訊、激光筆、光盤存儲生活：光纖通訊、激光筆、光盤存儲 科技：光源、激光冷卻、全息、激

12、光光解科技：光源、激光冷卻、全息、激光光解六、應用六、應用 激光核聚變激光核聚變這是這是激光核聚變激光核聚變靶室，在靶室內(nèi)十束激光同時聚向一個產(chǎn)生靶室，在靶室內(nèi)十束激光同時聚向一個產(chǎn)生核聚變反應的小燃料樣品上，引發(fā)核聚變。核聚變反應的小燃料樣品上，引發(fā)核聚變。 激光焊接激光焊接高能激光（能產(chǎn)生約高能激光（能產(chǎn)生約5500 oC的高溫）把大的高溫）把大塊硬質(zhì)材料焊接在一起塊硬質(zhì)材料焊接在一起用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復位用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復位（目前已是常規(guī)的醫(yī)學手術(shù)）（目前已是常規(guī)的醫(yī)學手術(shù)）用脈沖的染料激光（波長用脈沖的染料激光（波長585nm）處理皮膚色素）處理皮膚色素處理前處理前處理后處理后RM1000顯微共焦激光拉曼光譜儀顯微共焦激光拉曼光譜儀光盤存儲光盤存儲光纖通信光纖通信50 m100 m皮皮芯（石英）芯（石英）光導纖維光導纖維光纜光纜光放大器光放大器光光纜纜金華金華傳導原理：全反射傳導原理：全反射光纖通信光纖通信光纖的優(yōu)越性：光纖的優(yōu)越性： 寬帶寬帶 不受電磁干擾不受電磁干擾 重量輕重量輕 低損耗低損耗光纖通信用光源：光纖通信用光源： 短距離通信