光電技術(shù)-更多分類課件

1、3.1 相干光源、非相干光源與激光 光源器件主要是指電光變換器件。3.1.1 光源的分類 相干光源：在時(shí)間、空間上相位同步的光波形成。 非相干光源：來源于原子或分子體系的自發(fā)輻射。 第3章 激光原理與技術(shù)7/24/20221非相干光源包括：照明光源 氣體放電燈、熒光燈；白熾燈；本征場致發(fā)光燈（固體燈）。顯示光源 著重顯示圖像的清晰度、對比度、色彩飽和度來區(qū)分，如液晶顯示器、陰極射線管（CRT)、發(fā)光二極管（LED）。信息處理光源 著重光的單色性和高速脈沖性，如高速高亮度的發(fā)光二極管、分光分度計(jì)光源。7/24/20222相干光源包括：激光 氣體激光器、固體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、等離子

2、激光器。非線性光學(xué)器件 主要是激光與非線性光學(xué)材料相互作用而產(chǎn)生的各種新的相干光源，如光參量振蕩器、高次諧波激光器、和頻與差頻發(fā)生器、受激拉曼散射。7/24/202233.1.2 激光的特性 一般通稱為激光的四性:單色性、相干性、方向性和高強(qiáng)度。實(shí)際上，這四性質(zhì)上可歸結(jié)為一性，即激光具有很高的光子簡并度。也就是說，激光可以在很大的相干積內(nèi)有很高的相干光強(qiáng)。7/24/202243.2 激光產(chǎn)生與傳播的基礎(chǔ)3.2.1 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 1. 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模型 介質(zhì)的極化強(qiáng)度為: 用宏觀物理量-極化率或介電常數(shù)來描述介質(zhì)對光波場的響應(yīng),則: 7/24/20225 經(jīng)典的電子理

3、論是把原子內(nèi)部電子運(yùn)動看成稱為簡諧振子。簡諧振子模型認(rèn)為，原子中的電子被與位移成正比的彈性恢復(fù)力束縛在某一平衡位置：xo(原子中的正電中心)附近振動(假設(shè)一維運(yùn)動情況)，當(dāng)電子偏離平衡位置而具有位移x時(shí)，就受到一個(gè)恢復(fù)力f=-kx的作用。假定沒有其他力作用在電子上則電子運(yùn)動方程為: 其中k是彈性系數(shù),m為電子質(zhì)量,是電子的固有頻率.7/24/20226 電子在原子內(nèi)部以固有頻率做簡諧振動,就會向外輻射電磁波,輻射場又對電子產(chǎn)生反作用-與電子速度成正比的阻尼力. 此時(shí)如果有光波入射,則光波電磁場又會對電子施加一個(gè)電磁力,于是方程變?yōu)? 考慮入射光場為簡諧電場的情況,則: 將其代入運(yùn)動方程,可以求

4、得解為:7/24/20227 由方程的解可見: 在簡諧振子的模型下,電子受迫振動的頻率與驅(qū)動光波頻率相同,但存在相位差,且這個(gè)相位對介質(zhì)中的所有原子都是一樣的. (1)當(dāng) 時(shí),稱為光和物質(zhì)的非共振相互作用過程. (2)當(dāng) 時(shí),稱為光和物質(zhì)的共振相互作用過程. 7/24/202283.2.2 光輻射的量子理論基礎(chǔ)1.三種躍遷 (1) 受激吸收 受激吸收概率：為愛因斯坦吸收系數(shù)7/24/20229(2) 自發(fā)輻射 光子能量：自發(fā)躍遷概率：單位時(shí)間、單位體積內(nèi)， 上粒子的減少為：于是有：7/24/202210 (3) 受激輻射受激輻射的概率：稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。7/24/2022112. 愛因

5、斯坦關(guān)系 設(shè)一個(gè)原子系統(tǒng)有特定兩個(gè)能級 ,其簡并度為 , 在溫度T下處于熱平衡狀態(tài), 能級的原子占有數(shù)密度分別為 ,則原子系統(tǒng)從輻射場中吸收能量 后,單位時(shí)間內(nèi)從 躍遷到能級的原子數(shù)為： 單位時(shí)間內(nèi)，的原子數(shù)數(shù)為：由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有：即：7/24/202212所以有：熱平衡狀態(tài)下， 按波爾茲曼分布：即：7/24/202213熱平衡條件下，光輻射的能量密度的普朗克公式為：比較兩式有：上述兩式即著名的愛因斯坦關(guān)系式。若兩能級的簡并度相同，則有：7/24/202214 結(jié)論： 三個(gè)愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。對一定的原子體系而言，自發(fā)發(fā)射系數(shù) A 與受激發(fā)射系數(shù) B 之比正比于 的三次方，

6、因而 兩能級相差越大， 就越高，A,B 的比值就越大，也就是 越高自發(fā)輻射越容易，受激輻射越困難。一般在熱平衡下，主要是自發(fā)輻射。7/24/2022153. 光譜線展寬 單位體積內(nèi)粒子自發(fā)躍遷所輻射的功率為： 以上推理都是認(rèn)為能級是理想的無寬度的、從而粒子輻射是單色的，也就是能量集中在單一頻率上。實(shí)際上，自發(fā)輻射并非單色的，而是分布在中心頻率附近的一個(gè)有限范圍內(nèi)，這一現(xiàn)象稱為。7/24/202216 考慮譜線展寬的情況，自發(fā)輻射的功率應(yīng)是頻率的函數(shù)，則總的自發(fā)輻射的功率為：光譜線的線性函數(shù)：滿足歸一化條件：于是：7/24/202217 由愛因斯坦系數(shù)可得： 設(shè)外來光輻射能量密度也是一個(gè)與頻率有

7、關(guān)的參量，于是：考慮譜線展寬后，對于自發(fā)輻射： 可見：對自發(fā)輻射沒有影響， 即自發(fā)輻射不受 影響。7/24/202218 對于受激輻射：可見受激躍遷粒子數(shù)改變與粒子體系的 及輻射場的 有關(guān)。7/24/2022194.受激輻射下光譜線展寬的類型 （1）均勻展寬 均勻展寬的特點(diǎn)是：引起展寬的機(jī)制對于每一粒子而言都是相同的。任何一個(gè)粒子對譜線展寬的貢獻(xiàn)都是一樣的，不可能把線性函數(shù)某一特定頻率與某些特定夫人粒子聯(lián)系起來，每一個(gè)發(fā)光粒子都以洛淪茲線型發(fā)射。 （2）非均勻展寬 非均勻展寬的特點(diǎn)是：粒子體系中粒子發(fā)光只對譜線內(nèi)與其中心頻率相對應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，這種展寬主要有多普勒展寬與殘余應(yīng)力展寬，7/24/

8、202220均勻展寬包括： 1）自然展寬 由于粒子存在固有的自發(fā)躍遷，從而導(dǎo)致它在受激能級上的壽命有限形成的。 由傅立葉變換得其頻譜分布為：7/24/202221于是自發(fā)輻射得功率為：總功率為： 所以：當(dāng)有：7/24/202222 因此有：得：于是有于是也可寫成：7/24/2022232）碰撞展寬 由于大氣中大量粒子無規(guī)則運(yùn)動碰撞產(chǎn)生的，包括兩種情況：激化態(tài)的粒子與其他粒子發(fā)生非彈性碰撞將自己的能量傳遞出去而回到基態(tài)或者是粒子發(fā)射的波列發(fā)生無規(guī)則的相位突變。 自然展寬與碰撞展寬共同作用產(chǎn)生的線型函數(shù)合稱為均勻展寬的線型函數(shù)，表示為：線寬為：7/24/2022243）熱振動展寬 由于晶格振動引起

9、的，晶格原子的熱震動使發(fā)光粒子處于隨時(shí)間周期性變化的晶格場中，引起能級振動。這種展寬與溫度有關(guān)，但其線型函數(shù)解析式很難求，只能由實(shí)驗(yàn)測出。7/24/202225 非均勻展寬包括： 1）多普勒展寬 由于氣體物質(zhì)中的粒子作熱運(yùn)動所產(chǎn)生的輻射的多普勒頻移引起的。以一維運(yùn)動為例： 考慮氣體分子熱運(yùn)動的速率統(tǒng)計(jì)分布：7/24/202226得：于是有：從而有 稱為多普勒的線型函數(shù)，具有高斯函數(shù)形式，相應(yīng)的線寬為7/24/202227當(dāng)時(shí)（最大值）也可表示為：多普勒展寬實(shí)際上是一種統(tǒng)計(jì)結(jié)果。7/24/2022282) 殘余應(yīng)力展寬 由固體激光物質(zhì)內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的，其中一種是晶格缺陷所致，非均勻分布的缺陷引

10、起不同位置的粒子 不同，物質(zhì)本身原子的無規(guī)則排列也會引起。7/24/2022293.2.3 光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典結(jié)果的量子修正 解釋光放大、吸收系數(shù)等問題只能從輻射的量子化出發(fā)。電磁輻射在物質(zhì)傳播時(shí)，每單位體積內(nèi)的電磁場被電偶極子吸收的功率為：由受激躍遷得：于是有7/24/202230 均勻展寬時(shí)： 而經(jīng)典得表達(dá)式為： 相比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)典理論中， 恒大于0，即熱平衡條件下光通過物質(zhì)傳播時(shí)總有一定程度的吸收，而量子修正后取決于7/24/2022313.2.4 光與物質(zhì)體系相互作用的量子解釋1.兩種情況下光與粒子體系的相互作用 1）單色輻射場與粒子體系相互作用 單色輻射場的能量密度為： 7/24/20

11、2232 上式表明由于譜線展寬， 和粒子體系產(chǎn)生相互作用的單色光場的頻率并不一定精確于 的中心頻率 才能產(chǎn)生受激輻射，而是在 附近的一定范圍內(nèi)。2）連續(xù)輻射光場與粒子體系相互作用 可見，連續(xù)輻射場中只有頻率等于粒子體系中心頻率的那部分輻射場才能引起粒子體系受激輻射，其他部分被粒子所散射。7/24/2022332.受激發(fā)射與光放大 激活介質(zhì)的增益系數(shù)為：所以有又：所以有：7/24/202234 考慮譜線展寬，有結(jié)論：7/24/202235 3.3.1 激光產(chǎn)生的必要條件 1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 光束通過原子與分子系統(tǒng)時(shí)，總是同時(shí)存在受激發(fā)射與受激吸收的過程。從愛因斯坦關(guān)系可知，一般受激吸收遠(yuǎn)大于受激發(fā)

12、射，粒子處于基態(tài)；如果激發(fā)態(tài)的電子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于基態(tài)電子數(shù)，就會使激光工作物質(zhì)中受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，這種狀態(tài)即。3.3 激光產(chǎn)生的條件必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定繼光）7/24/202236 考慮一個(gè)二能級（ ）系統(tǒng)的粒子數(shù)的分布情況。設(shè)有一光束通過此系統(tǒng)，頻率為： 由于受激吸收和發(fā)射的存在，光束的能量要發(fā)生變化。經(jīng)dt時(shí)間后有：單位體積因吸收減少：單位體積因發(fā)射增加：能量總的變化為：由愛因斯坦關(guān)系得：7/24/202237 由上式可知，光束在傳播過程中能量密度得增減由括號中運(yùn)算的值決定。據(jù)此可以把工作物質(zhì)狀態(tài)分為兩類： （1）粒子數(shù)正常分布 滿足：當(dāng)物

13、質(zhì)處于熱平衡時(shí)有由于于是粒子數(shù)分布總有 工作物質(zhì)中具有較低能量的一個(gè)能級上的粒子數(shù)大于較高能量的一個(gè)能級上的粒子數(shù)即。7/24/202238 （2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 滿足：光束在此工作物質(zhì)中傳播光能密度不斷增加。 正常分布7/24/202239 在激活介質(zhì)中，粒子數(shù)是反轉(zhuǎn)分布的，粒子在能級上的分布情況與波爾茲曼分布情況相反，是“上多下少”。而要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，需要一個(gè)機(jī)構(gòu)將低能級粒子抽到高能級，這種機(jī)構(gòu)稱為泵浦源。 2. 減少振蕩模式數(shù) 基于方向性、單色性的考慮。 右圖表示了諧振腔中光的振蕩，（R11，R21）7/24/2022403.3.2 激光產(chǎn)生的充分條件 1. 起振條件閾值條件 由于R2

14、1，光在鏡面上總有透射損失，鏡面和腔內(nèi)激活介質(zhì)還存在吸收、散射等損失。因此光的增益超過損失時(shí)，光波才能被放大，進(jìn)而振蕩，即有閾值。 設(shè)激活介質(zhì)的增益系數(shù)為 ，諧振腔長為L，則光束通過單程L后，強(qiáng)度變化關(guān)系為： （為單程增益）諧振腔兩面分別有反射率 ，透射率 ，損耗 ，則：光束在腔內(nèi)往返一次強(qiáng)度的變化情況為：7/24/202241于是 可見，形成激光振蕩條件為激光振蕩必須滿足的最起碼條件為又因?yàn)橛谑欠崔D(zhuǎn)粒子數(shù)閾值公式為7/24/2022422. 穩(wěn)定振蕩條件增益飽和效應(yīng) 激光強(qiáng)度將隨傳播距離的增加而呈指數(shù)關(guān)系上升，但是激光強(qiáng)度不會無限制的增大。 當(dāng)入射光強(qiáng)度足夠弱時(shí)，增益系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)，是一個(gè)常

15、量；而當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定時(shí)，增益系數(shù)將減小，即 應(yīng)寫成 ，這種現(xiàn)象稱為增益飽和現(xiàn)象。 設(shè)想工作物質(zhì)在泵浦作用下實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即 當(dāng)外加光強(qiáng)出現(xiàn)時(shí)，感應(yīng)了 的受激發(fā)射和 的受激吸收，兩種躍遷的過程概率相等，由于 ，因此 粒子數(shù)大于 粒子數(shù)，其結(jié)果使新平衡反轉(zhuǎn)粒子數(shù) ， 變?。挥捎?越強(qiáng)，造成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的減少越嚴(yán)重，因而隨著往返振蕩， 不斷增大，使得 不斷減小，直到光所獲得的增益恰好等于激光腔內(nèi)的損耗，就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，形成穩(wěn)定的輸出。 7/24/2022433.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出3.4.1 激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光工作物質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔 1.激光工作物質(zhì) 二能級系統(tǒng)不能充當(dāng)激

16、光工作物質(zhì)。 激光物質(zhì)是三能級或四能級結(jié)構(gòu)。7/24/202244三能級系統(tǒng)7/24/202245四能級系統(tǒng)7/24/2022462. 泵浦源 必須用外界能量來激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。將粒子從低能級抽運(yùn)到高能級態(tài)的裝置，稱為。它是形成激光的外因。激光器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰俊?從直接完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方式來分，泵浦方式可分為： （1）光激勵(lì)方式 （2）氣體輝光放電或高頻放電方式 （3）直接注入電子方式 （4） 化學(xué)反應(yīng)方式 還有：熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能等方式。7/24/2022473. 諧振腔 限制輸出模式，同時(shí)還對激光頻率、功率、光束發(fā)散角及

17、相干性都有影響。 設(shè)激光器腔長L，反射鏡曲率半徑分別為 (凸面鏡 ，凹面鏡 )，諧振腔可分為穩(wěn)定腔（低損耗腔）和非穩(wěn)定腔（高損耗腔）兩類。 （1）穩(wěn)定腔 滿足： （2）非穩(wěn)定腔 滿足： 或7/24/2022483.4.2 激光器的輸出 1. 輸出功率 實(shí)際激光器工作在閾值以上。設(shè)小信號增益系數(shù)為 ，腔長L,單程損耗為 ，I在腔內(nèi)往返一次后變?yōu)?，則有： 開始時(shí)某一振蕩頻率的小信號增益系數(shù) 大于閾值系數(shù) ，則有腔內(nèi)光強(qiáng)將逐漸增加，由于受飽和效應(yīng)的影響，若大信號增益系數(shù) 仍然大于 ，則這一過程便繼續(xù)下去，隨著光強(qiáng)的增加， 逐漸減少，直到： 激光器建立起穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有了恒定的輸出功率。穩(wěn)定工作時(shí)

18、激光器的信號增益總是穩(wěn)定在 。 7/24/202249 2. 輸出模式 激光器輸出的獨(dú)立頻率分量稱為。激光器的穩(wěn)定含義包括： （1） 確定頻率 （2） 振幅在空間的相對分布確定，不隨時(shí)間改變 （3） 相位在空間的相對分布確定，不隨時(shí)間改變7/24/2022503.4 激光器的種類 可按功率、輸出激光連續(xù)性狀況、泵浦、激光工作物質(zhì)來分。3.5.1 氣體激光器 以氣體為工作物質(zhì)，大多數(shù)氣體激光器能連續(xù)工作，其激勵(lì)過程涉及的能級比較固定利用氣體放電中的電子碰撞來激發(fā)。 1.原子氣體激光器 2.離子氣體激光器 3.分子氣體激光器 4.準(zhǔn)分子激光器7/24/2022513.5.2 液體激光器3.5.3

19、固體激光器3.5.4 半導(dǎo)體激光器3.5.5 常見激光器性能比較7/24/2022523.5 激光脈沖技術(shù) 普通激光器輸出的光脈沖只是一群寬度只有微秒量級、強(qiáng)度不同的小尖峰脈沖序列。 激光短脈沖技術(shù)包括：激光調(diào)Q技術(shù)和激光鎖模技術(shù)。3.5.1 脈沖激光器的尖峰效應(yīng) 不加任何特殊裝置的固體脈沖激光器，在一次輸出中，激光 脈沖的寬度大約是ms的數(shù)量級。而且這個(gè)脈沖并不是平滑的，包含著很多寬度更窄的短脈沖序列，其中每一個(gè)短脈沖寬度只在微秒量級，而且隨著激勵(lì)的增強(qiáng)短脈沖的時(shí)間間隔越小。這種現(xiàn)象被人稱做弛豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效 7/24/202253 一個(gè)短脈沖的形成和消失,可以由激光系統(tǒng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度

20、的增減變化來解釋 .造成系統(tǒng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度增加的因素是光泵的激勵(lì)，其增加速率在一個(gè)短脈沖的長消過程中可以看成是不變的。使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度減少的因素是受激輻射，其減少速率則因腔內(nèi)光子數(shù)密度的多少而變化。 一個(gè)短脈沖的生成過程可以分成四個(gè)階段。如圖所示: 7/24/2022547/24/202255 第一階段為 。起始時(shí)，光泵激勵(lì)使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 增加。在 時(shí)，受激輻射尚未開始，所以 的增長速率占優(yōu)勢。當(dāng) 達(dá)到閾值時(shí)，開始產(chǎn)生激光，激光器內(nèi)光子數(shù)密度 急劇增加。由于是受激輻射，所以 的減少速率也逐漸變大。只要光泵造成的增加速率還大于受激輻射造成的減少速率時(shí)， 仍然在增加，直到 時(shí)二速率相等， 達(dá)到了

21、極值。 第二階段為 。在 以后，此階段 仍成立。所以激光繼續(xù)產(chǎn)生，腔內(nèi)光子數(shù)密度 仍急劇增加。受激輻射造成的 減少速率也繼續(xù)變大，于是就超過了光泵激勵(lì)造成的增加速率，這時(shí) 開始減小。到 時(shí)又回到閾值。7/24/202256 第三階段為 。時(shí)間過 之后，又有 成立。但 仍大于零，受激輻射并末停止。這樣就造成兩種后果：一是此時(shí) ，即增益小于損耗腔內(nèi)光子數(shù)密度必急劇減少；二是由于受激輻射的存在， 將繼續(xù)減少。此兩者綜合結(jié)果是 的減少速率逐慚變小了。等到 時(shí)， 減少速率又等于光泵激勵(lì)所造成的增加速率。 第四階段為 。時(shí)可經(jīng) 之后， 的增加速串又占了優(yōu) 勢等到 時(shí)， 又達(dá)到閡值 之后，第二個(gè)尖脈沖又得以

22、重復(fù)。在整個(gè)光泵激勵(lì)時(shí)間內(nèi)，這種過程要多次反復(fù)發(fā)生，這就形成了一連串的尖峰結(jié)構(gòu)。且光泵功率越大，尖峰形成就越快，尖峰的時(shí)間間隔就越小。7/24/202257由上述的尖峰結(jié)構(gòu)可見，脈沖激光輸出具有如下幾個(gè)特點(diǎn)： (1) 總在 附近振蕩變化， 的總水平不高，因此，增益也就達(dá)不到較高的值總輸出水平不會太高。 (2) 在光泵燈閃光的整個(gè)時(shí)間寬度中，激光出現(xiàn)的時(shí)間較早，結(jié)束較晚，也就是指整個(gè)激光脈沖寬度很寬。 (3) 激光脈沖不夠平滑。7/24/202258 3.5.2 激光調(diào)Q技術(shù) 調(diào)Q原理： 泵浦開始時(shí)，增大損耗，使振蕩難以形成，從而使上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度增大，當(dāng)積累達(dá)到最大值時(shí)，突然使諧振腔損耗

23、變小，于是Q值突增，在腔內(nèi)以極快的速度建立極強(qiáng)的振蕩，輸出極強(qiáng)的激光脈沖，稱為激光巨脈沖或調(diào)Q脈沖。 諧振腔損耗包括：反射損耗、吸收、衍射、散射、透射損耗，不同的方法、控制不同類型的損耗，就形成不同的調(diào)Q方法。7/24/202259 1.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù) 通過轉(zhuǎn)鏡來控制諧振腔的兩個(gè)反射鏡的平行度，從而控制損耗。如圖：7/24/2022602.染料調(diào)Q技術(shù) 利用染料對光的吸收系數(shù)隨光強(qiáng)度變化的特性來調(diào)Q的方法的技術(shù)，這種Q開關(guān)的延遲時(shí)間由材料本身的特性決定，不受人為控制，屬被動調(diào)Q技術(shù)。7/24/202261 3.電光調(diào)Q技術(shù) 晶體經(jīng)過特殊方向切割后，在某個(gè)方向上加電壓，就可以使通過他的線偏振光改變振動方向，且外加電壓的數(shù)值與振動方向的改變有一定的函數(shù)關(guān)系，輔一光學(xué)器件就構(gòu)成一個(gè)快速光開關(guān)，達(dá)到調(diào)Q目的。7/24/2022624.聲光調(diào)Q技術(shù) 聲光器件在腔內(nèi)按布拉格條件放置，外加高頻振蕩的超聲信號時(shí)，光束沿布拉格偏折，偏離了軸向，此時(shí)腔內(nèi)損耗嚴(yán)重，Q值很低，不能形成振蕩，但這一階段使粒子在亞穩(wěn)態(tài)上大量積累，一段時(shí)間后，撤銷外加聲