激光原理第一章課件

1、激光原理及技術(shù)Email:第一部分激光原理何為激光（laser）?Light Amplification by StimuIated Emission of Radiation受激輻射光放大鐳射：LASER的音譯與普通光源相比激光束的特點(diǎn)高方向性高亮度高單色性和相干性激光發(fā)展的歷史一、激光概念的產(chǎn)生1900年普朗克用諧振子模型建立了黑體輻射的理論。1917年愛(ài)因斯坦根據(jù)黑體與空腔壁原子間的熱平衡條件，提出了原子的受激輻射；1928年，Landenburg證實(shí)了受激輻射和“負(fù)吸收”的存在。二、激光器的發(fā)明及歷史1、maser的誕生：第二次世界大戰(zhàn)因雷達(dá)分辨技術(shù)的需要，促進(jìn)了“微波激射放大器”的研

2、究，并導(dǎo)致第一臺(tái)微波放大器“脈塞”（Micro-wave amplification by stimulated emission of radiation）的誕生。2、在maser的啟發(fā)下“l(fā)aser”光波放大器誕生了。（1）1959年各種激光器的設(shè)計(jì)方案陸續(xù)出臺(tái) 肖洛、湯斯提出用“F-P干涉儀”作諧振腔，鉀燈泵浦鉀蒸汽的紅外激光器； 賈邁提出用電流連續(xù)泵浦，制造“氦氖激光器”的方案； 美國(guó)休斯公司的年輕工程師梅曼提出用摻釹紅寶石、脈沖氙燈泵浦的紅寶石激光器方案； 前蘇聯(lián)的巴索夫提出以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)的半導(dǎo)體激光器方案（2）1960年7月，梅曼首先制成了紅寶石激光器。梅曼和他的紅寶石激光器3

3、. 1961年 2月（A.Javan）研制成了 HeNe混合氣體激光器。 有人提出了Q調(diào)制技術(shù)， 并制成第一臺(tái)調(diào)Q激光器。 制成了釹玻璃脈沖激光器。僅19611962年間世界各國(guó)發(fā)表的激光方面的論文達(dá)200篇以上。4. 1962年美國(guó)三個(gè)研究小組幾乎同時(shí)分別發(fā)布砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的報(bào)道。5. 1963年建立了激光的半經(jīng)典理論。 對(duì)激光的頻率特性和功率特性進(jìn)行了比較完 善的探討。 6. 1964年研制成了 氬離子（A+r）離子氣體激光器 二氧化碳?xì)怏w激光器 化學(xué)激光器（HF氟化氫） 摻釹的釔鋁石榴石固體激光器 7. 1965年實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰光學(xué)參量振蕩器，借助 半經(jīng)典理論預(yù)言了鎖模

4、效應(yīng)的存在8. 1966年研制成了固體鎖模激光器獲得了超短脈沖。9. 1970年研制成了準(zhǔn)分子激光器。10. 1977年研制成了紅外波段的自由電子激光器 （FEL）11. 1984年研制出光孤子激光器（SL）12、美國(guó)電話電報(bào)公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1992年研制出當(dāng)時(shí)世界上最小的固體激光器它在掃描電子顯微鏡下看起來(lái)就像一個(gè)個(gè)微型圖釘，其直徑只有2至10微米。在一個(gè)大頭針的針頭上，可以裝下1萬(wàn)個(gè)這樣的新型半導(dǎo)體激光器。最小的固體激光器？spasersurface plasmon amplification by stimulated emission of radiation 目前最快的晶體

5、管相比，spaser雖具有同等的納米尺度，但其速度要快上1000倍，這為制造速度超快的放大器、邏輯元件和微處理器提供了可能。 發(fā)展功率更大為了進(jìn)行高能物理、熱核聚變等方面的研究工作，激光器產(chǎn)生的能量密度和功率不斷提高?，F(xiàn)在世界上功率最大的激光器是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火工程（NIF）中使用的NOVA激光系統(tǒng)，其峰值功率達(dá)到1.3PW（1015W）。 ( built in 1986 2beam /f200mm, 1.6KJ/1w/1ns )神光-I 裝置的兩路激光系統(tǒng)體積更小各種工業(yè)指示、標(biāo)記、探測(cè)用的半導(dǎo)體激光器或者半導(dǎo)體泵浦固體激光器向著小型化方向發(fā)展；更集成各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個(gè)甚至幾

6、十個(gè)半導(dǎo)體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等功能模塊。更快更高的調(diào)制頻率：GHz；更短的脈沖寬度：飛秒激光器(FemtoSecond Laser)；更多樣化多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學(xué)能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導(dǎo)體、自由電子等；三、激光的應(yīng)用 切割：速度快、無(wú)接觸、精度高、切縫光滑； 焊接：焊接點(diǎn)均勻、美觀、精度高 表面處理； 芯片刻蝕等。1.工業(yè)應(yīng)用：在強(qiáng)度為 情況下，激光持續(xù)時(shí)間大約10ms，這時(shí)發(fā)生的主要過(guò)程是物質(zhì)的快速加熱，對(duì)于鋼鐵等物質(zhì)，可以作為表面淬火硬化。功率密度在 范圍內(nèi)，物質(zhì)

7、會(huì)被快速熔化和汽化，這種激光的典型作用時(shí)間為4ms，主要用于熔化，焊接和表面合金等。當(dāng)激光脈沖功率達(dá)到 的水平時(shí)，以汽化為主要過(guò)程。由于這種激光的的典型作用時(shí)間為，會(huì)由于快速加熱導(dǎo)致激波和爆炸現(xiàn)象。2.醫(yī)學(xué)：激光診斷：辨別人呼出氣體的成分及各種成分的濃度。 眼科手術(shù)：視網(wǎng)膜焊接、近視治療。激光美容：祛除紋身和胎記 3.科學(xué)研究：用高強(qiáng)度短脈沖激光轟擊氘靶引起熱核反應(yīng)；非線性光學(xué)研究上的應(yīng)用，如倍頻效應(yīng)等；拉曼散射的應(yīng)用，可作測(cè)量。 4、軍事：（1）激光雷達(dá)； （2）激光武器5、信息技術(shù)：（1）全息照相；（2）光存儲(chǔ)；（3）大屏幕顯示6、日常生活中的引用參考書目：激光原理，陳鈺清、王靜環(huán)等，浙江

8、大學(xué)出版社激光原理（第五版），周炳琨、高以智等，國(guó)防工業(yè)出版社激光技術(shù)，藍(lán)信鉅等，科學(xué)出版社固體激光工程，W.克希耐爾等，科學(xué)出版社激光原理教程，沈柯，北京理工大學(xué)出版社 激光應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)，朱林泉等，國(guó)防工業(yè)出版社第一章 激光的物理基礎(chǔ)1-1 光的電磁波理論1-2 光波的模式和光子的量子狀態(tài)1-3 光的相干性和相干體積1-4 光子簡(jiǎn)并度1-5 黑體輻射1-6 光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1-7 激光的產(chǎn)生1-8 激光器和激光的特性1-1 光的電磁理論光輻射場(chǎng)的性質(zhì)描述：光輻射場(chǎng)是各種不同頻率電磁場(chǎng)的集合（波動(dòng)觀點(diǎn)）光輻射場(chǎng)是數(shù)目不固定的光子（粒子的觀點(diǎn)）一、矢量算符及其應(yīng)用：1、一階作用：

9、（1）標(biāo)量函數(shù)的梯度（2）矢量函數(shù)的散度和旋度 散度： 旋度：2、二階作用：（1）標(biāo)量函數(shù)的拉普拉斯作用（2）矢量函數(shù)：二、電磁波的波動(dòng)方程1、概念 （1）源： （2）場(chǎng)：（3）物：電極化強(qiáng)度 磁極化強(qiáng)度 電導(dǎo)率2、關(guān)系 3、方程 （1）麥克斯韋方程組（2）電磁波方程式： （3）電磁波的赫姆霍茲方程式方程的特解： 特解的復(fù)數(shù)形式：設(shè)：亥姆霍茲方程：將特解的復(fù)數(shù)形式代入得式中，測(cè)不準(zhǔn)原理：?jiǎn)慰p衍射公式：第一級(jí)極小位置：衍射角與狹縫間距成反比光子動(dòng)量觀點(diǎn)：入射光子P=Py,Px=0射向中央亮紋的光子獲得x方向的動(dòng)量 穿過(guò)狹縫狹縫對(duì)光子進(jìn)行測(cè)量光子的Px 值之間的最大差值： 為Px的測(cè)不準(zhǔn)量中央條紋

10、外還有光子光子在狹縫中的位置坐標(biāo)x之間的最大差值x x=a 德布羅意公式 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式的重要意義：縮小狹縫的寬度a，使得穿過(guò)狹縫光子的位置測(cè)不準(zhǔn)量x縮小，則必定使得這些光子的動(dòng)量分量測(cè)不準(zhǔn)量Px增大 能量與時(shí)間的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 :1-2光波的模式和光子的量子態(tài)一、光子的基本性質(zhì) 3、動(dòng)量： 5、自旋：光子具有自旋，其自旋量子數(shù)為整數(shù)，光子屬于玻色子，服從玻色愛(ài)因斯坦分布，即處于同一量子態(tài)的全同粒子數(shù)目沒(méi)有限制。4、偏振態(tài)：光子有兩個(gè)可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于光波的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向； 1、能量： 2、質(zhì)量：光子沒(méi)有靜止質(zhì)量二、光波的模式與光子的量子態(tài)1.何為光波模式？光纖：HE11模 平面波導(dǎo)：TE

11、，TM模光的模式表示麥克斯韋方程組的一個(gè)特解代表具有一定偏振、一定傳播方向、一定頻率和一定壽命的光波金屬空腔，能夠穩(wěn)定存在的光波應(yīng)該滿足駐波條件：其中m、n、q為正整數(shù)，由波矢的表達(dá)式 可以得到波矢的三個(gè)分量：每組不同的m、n、q標(biāo)識(shí)了不同的模式，如果在由kx、ky、kz構(gòu)成的空間中表示不同的模式。每個(gè)不同的模式分別占據(jù)圖中的一個(gè)方格?？梢郧蟪鲈谠摽臻g中一個(gè)模式占據(jù)的體積為立體角：模式數(shù)：（1）不同方向上可區(qū)分的模式數(shù)2、給定體積內(nèi)，可能存在的光波模式數(shù)（2）一個(gè)方向上可區(qū)分模式數(shù)（頻率不同）根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理對(duì)任意設(shè)定的頻寬 方向可區(qū)分?jǐn)?shù)為偏振態(tài)可區(qū)分模式數(shù)為2，總模式數(shù)g3.光子狀態(tài)與相格在輻

12、射場(chǎng)中的光子可以用動(dòng)量、位置和偏振態(tài)來(lái)對(duì)其加以區(qū)別；宏觀上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用位置（x,y,z）和動(dòng)量（Px,Py,Pz）來(lái)完全確定，一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)相空間（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一個(gè)點(diǎn)；微觀上的粒子運(yùn)動(dòng)滿足測(cè)不準(zhǔn)原理：在相空間中，一個(gè)光子態(tài)不再對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)體積元，稱為相格，其在相空間中的體積為：實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小尺度4.光子態(tài)與光波模的等價(jià)性動(dòng)量空間內(nèi)，在 由測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系區(qū)分的最大光子數(shù)為回顧：在波矢空間中一個(gè)光波模式占據(jù)的體積是：波動(dòng)觀點(diǎn)得到光的模式數(shù) = 光子的觀點(diǎn)得到光子的量子狀態(tài)數(shù)由于腔內(nèi)穩(wěn)定存在的光波模都是由兩列相向傳播的行波構(gòu)成的，因此每個(gè)模式的動(dòng)量可以寫成：將

13、以上結(jié)果代入(1)式，可得到：即一個(gè)光波模在相空間中也占有一個(gè)相格體積，一個(gè)光子態(tài)在相空間內(nèi)也占有一個(gè)相格h3一種光的模式對(duì)應(yīng)于一種光子的量子狀態(tài)相空間觀點(diǎn)模式即代表可以相互區(qū)分的光子的量子狀態(tài)1-3光的相干性與相干體積一、光的相干性在不同時(shí)刻，光波場(chǎng)的某些特性的相關(guān)性，叫做“光的相干性”。例如，光波場(chǎng)位相的相關(guān)性二、光的相干體積1、定義：相干體積=相干面積*相干長(zhǎng)度2、計(jì)算：（1）光源面相干的條件對(duì)于S0點(diǎn)：對(duì)于S0點(diǎn)：相干條件：兩縫間距對(duì)光源的張角 意義：限于 內(nèi)的光要干涉，其面積不得大于 故 定義：結(jié)論：設(shè)光源面積為 ,則 。這樣就得（2）相干長(zhǎng)度 （ 為相干時(shí)間 ）（3）相干體積：其物

14、理意義為：如要求傳播方向限于 之內(nèi)并具有頻率寬度 的光波相干，則光源應(yīng)局限在空間體積Vc內(nèi)。根據(jù)前述的光子態(tài)在相空間的體積為 可得上式表明相格的空間體積等于相干體積，如果光子屬于同一光子態(tài)，則它們應(yīng)該包含在相干體積之內(nèi)，即同一光子態(tài)的光子是相干的。三、光子的相干性光子動(dòng)量在(x,y,z)方向的分量分別為：小 結(jié)光子態(tài)與光波模式是電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的兩種等效提法，是兩種等效的物理概念；相格的空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積；屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，而不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。相格空間體積一個(gè)光波模式所占空間體積同一光子態(tài)所占空間體積

15、相干體積1-4 光子簡(jiǎn)并度 光子簡(jiǎn)并度 處于同一相格中的光子數(shù)，處于同一模式中的光子數(shù)，處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)，處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。一、光源簡(jiǎn)并度與光源亮度的關(guān)系1、光源簡(jiǎn)并度：設(shè)光源面 在 內(nèi)向外射出 個(gè)頻率為 的光子，則該光源的簡(jiǎn)并度 為意義： 內(nèi)單位模式的光子數(shù)2、光源亮度：光源面 在 方向的亮度定義為（單色定向亮度）意義：?jiǎn)挝幻娣e、單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)發(fā)出單位頻率的光能。3、簡(jiǎn)并度與亮度的關(guān)系：將 的表達(dá)式相結(jié)合，得ndB,結(jié)論：光源簡(jiǎn)并度對(duì)應(yīng)于線度為 的光源在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)發(fā)出單位頻率的光子數(shù)。光源簡(jiǎn)并度越高，光源亮度越大。例如一單模激光器，若 ，光子能量 ， 可求出

16、Stokes 定理：對(duì)于矢量A沿閉合曲線C的線積分等于矢量A的旋度與曲線C所圍面積法線點(diǎn)積的積分線 面 散度定理：對(duì)于矢量A，它的法向分量沿閉合曲面S的面積分等于在曲面S所圍體積V中矢量A散度的體積分面 體 Gauss law：The electric flux through any closed surface is equal to the total charge enclosed by the surface, divided by is the charge densityThe magnetic equivalent of Gauss law: The magnetic flux

17、 through any closed surface is equal to zeroFaradays law: The line integral of the electric field around any closed loop is equal to minus the time rate of change of the magnetic flux through the loopAmpere circuital law: The line integral of the magnetic field around any closed loop is equal to tim

18、es the algebraic sum of the actual currents and which pass through the loop plus times the displacement current passing through the loop高斯定理法拉第電磁感應(yīng)定理安培環(huán)路定理同理：1-5 黑體輻射1.什么叫做“黑體”？一個(gè)物體能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，則稱此物體為絕對(duì)黑體或黑體。自然界中不存在絕對(duì)黑體，而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。黑體輻射：當(dāng)黑體處于某一恒定溫度的熱平衡狀態(tài)，它吸收的電磁輻射和發(fā)射的電磁輻射完全相等，即處于能量平衡狀態(tài)，這 將

19、導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)。 這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。2.普朗克公式：黑體輻射是黑體溫度T和輻射場(chǎng)頻率 的函數(shù)，并可以用單色能量密度 描述，它表示單位體積內(nèi)，頻率處于 附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量，其量綱為為了解釋實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 分布規(guī)律，普朗克提出了量子化假設(shè)，并得到了普朗克公式：在溫度T的熱平衡狀態(tài)下，光子服從波色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布。黑體輻射平均地分配到腔內(nèi)處于頻率 附近的同一種模式上的平均能量為：熱平衡狀態(tài)下的光子簡(jiǎn)并度回顧：腔內(nèi)單位體積中，頻率處于 附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁場(chǎng)模式數(shù)：可以得到黑體輻射的普朗克公式：其中K為波爾茲曼常數(shù)：1-6 光的自發(fā)輻射、受激輻射和受激

20、吸收 1、自發(fā)輻射（Spontaneous emission）自發(fā)輻射特點(diǎn)：自發(fā)輻射光的相位、偏振態(tài)以及傳播方向是雜亂無(wú)章的，是非相干光。假設(shè)系統(tǒng)中高能級(jí)原子數(shù)為n2，低能級(jí)原子數(shù)為n1，則單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)向低能級(jí)發(fā)生躍遷的原子數(shù)dn21為：處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)的向較低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為 的光子，這種過(guò)程稱為自發(fā)輻射.其中A21為自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)，定義為單位時(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能級(jí)原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與n2的比值，其物理意義是每一個(gè)處于高能級(jí)的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。從上式可以解出：自發(fā)輻射的平均壽命 ：定義為原子數(shù)密度由起始值降至它的1/e的時(shí)間，則高能級(jí)原子數(shù)隨時(shí)間變

21、化可表示為：通過(guò)比較可以得到： ，即自發(fā)輻射系數(shù)為高能級(jí)原子平均壽命的倒數(shù)，是由原子本身的性質(zhì)決定的，不受外部輻射場(chǎng)的影響。2、受激吸收 （Stimulated Absorption） 處于低能級(jí)E1的一個(gè)原子，在頻率為 的輻射場(chǎng)作用（激勵(lì)）下，受激地向E2能級(jí)躍遷并吸收一個(gè)能量為 的光子，這一過(guò)程稱為受激吸收，用受激吸收躍遷幾率 描述受激躍遷與自發(fā)躍遷不同，其躍遷幾率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，而且與外加電磁場(chǎng) 成正比，因此唯象的將其表示為：其中B12稱為受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，它只與原子性質(zhì)相關(guān)。如果黑體原子和外加電磁場(chǎng)之間的相互作用只有自發(fā)輻射這一種，是無(wú)法維持腔內(nèi)的穩(wěn)定電磁場(chǎng)的，因此愛(ài)因斯坦

22、預(yù)言，黑體原子必然存在著一種受外加電磁場(chǎng)激發(fā)而從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的過(guò)程。3、受激輻射（Stimulated Emission）可以用受激輻射躍遷幾率W21來(lái)描述受激輻射過(guò)程中高能級(jí)原子數(shù)變化的規(guī)律：受激輻射躍遷機(jī)率同樣與外加電磁場(chǎng)和原子特性相關(guān)：與受激吸收躍遷類似，黑體原子同外加電磁場(chǎng)之間還存在另一種受激相互作用，一個(gè)處于高能級(jí)E2的原子在頻率為 的電磁場(chǎng)作用下，受激地躍遷到E1能級(jí)，并放出一個(gè)能量為 的光子，該過(guò)程被稱為受激輻射躍遷。三、原子吸收和輻射幾率的關(guān)系當(dāng)黑體處于確定的溫度T的熱平衡狀態(tài)時(shí)，具有以下三個(gè)特點(diǎn)：腔內(nèi)存在著由普朗克公式描述的熱平衡黑體輻射；腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按照能級(jí)的分布服

23、從熱平衡狀態(tài)下的波爾茲曼分布：g1、g2為能級(jí)E1、E2的簡(jiǎn)并度，即統(tǒng)計(jì)權(quán)重；腔內(nèi)處于E2（或E1）能級(jí)的原子數(shù)應(yīng)保持不變：由特點(diǎn)3得到：將普朗克公式和波爾茲曼分布帶入上式有：令 ，可以求出愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的相互關(guān)系：特別的，當(dāng)g1=g2時(shí)，B12=B21 結(jié)論: (1)自發(fā)輻射隨頻率增加而增加,波長(zhǎng)越短，自發(fā)輻射的幾率越大。 由上式可得：(2) g1B12=g2B21表明，受激吸收系數(shù)和受激輻射系數(shù)在考慮了能級(jí)簡(jiǎn)并度后是相等的，過(guò)程可逆。自發(fā)輻射和受激輻射的區(qū)別自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、偏振方向等特性上是無(wú)規(guī)則的，即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有的電磁場(chǎng)模式上。受激輻射則是受到外

24、加電磁場(chǎng)激發(fā)而產(chǎn)生的過(guò)程，由量子電動(dòng)力學(xué)可以嚴(yán)格證明受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，即具有相同的頻率、相位、波矢和偏振等特性。按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電偶極子，自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個(gè)原子的自發(fā)躍遷互相之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)；而受激輻射可以看作電子在外加光場(chǎng)作用下做受迫振動(dòng)，其振蕩頻率、相位、方向等與外加光場(chǎng)一致。大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射光子處于同一光子態(tài)，因而是相干的。四、光與物質(zhì)作用的幾種處理方法1、經(jīng)典理論：經(jīng)典電磁波+經(jīng)典電偶極子模型（1）優(yōu)點(diǎn)：處理光學(xué)諧振腔和激光傳輸比較簡(jiǎn)單明白；（2）缺點(diǎn)：只能定性說(shuō)明光與物質(zhì)作用的激光現(xiàn)象。2、半經(jīng)典

25、理論：經(jīng)典電磁波+量子力學(xué)薛定諤方程（1）優(yōu)點(diǎn)：能精確闡述與激光有關(guān)的大部分問(wèn)題（2）缺點(diǎn)： 不能反映與光波場(chǎng)的量子特性有關(guān)現(xiàn)象和規(guī)律。 3、速率方程理論（全量子理論的簡(jiǎn)化形式）： 光子+量子化能級(jí)的粒子系統(tǒng)（1）優(yōu)點(diǎn)：能描述激光的光強(qiáng)特性；（2）缺點(diǎn)：對(duì)增益介質(zhì)色散等頻率特性和量子起伏有關(guān)的激光特性不能作理論解釋。4、量子電動(dòng)力學(xué)方法：統(tǒng)一光子與量子的方法（1）優(yōu)點(diǎn)：原則上可描述激光的全部特性，如嚴(yán)格確定激光相干、噪聲、線寬等特性；（2）缺點(diǎn)：數(shù)學(xué)上十分復(fù)雜，不易求解。本課程主要用到的理論是經(jīng)典理論和速率方程。1-7 激光的產(chǎn)生 有放大作用的增益介質(zhì)（激活粒子）激光的產(chǎn)生條件有外部或內(nèi)部激勵(lì)

26、源（使激活粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)）有激光諧振腔（使受激輻射維持振蕩）一、光放大的基本原理：利用受激輻射；由于在原子與外加光場(chǎng)相互作用時(shí)同時(shí)存在受激輻射和受激吸收兩種作用，想要實(shí)現(xiàn)光放大，必須要滿足關(guān)系：由愛(ài)因斯坦系數(shù)相互關(guān)系及波爾茲曼分布得到光放大的條件：要滿足該條件，只有Ta，此時(shí)光強(qiáng)隨著傳輸距離增加而不斷增強(qiáng)：隨著光強(qiáng)的不斷增加，增益介質(zhì)中的高能級(jí)粒子不斷的由于受激輻射而躍遷到低能級(jí)，增益介質(zhì)的增益系數(shù)不斷減小，直到減小到 時(shí)，光強(qiáng)將不再隨傳輸距離的變化而變化，此時(shí)的光強(qiáng)稱為飽和光強(qiáng)Im。Im與初始光強(qiáng)I0無(wú)關(guān)從上面的討論可以知道，只要增益介質(zhì)足夠長(zhǎng)，無(wú)論多微弱的入射光，都可以被放大為飽和光強(qiáng)Im

27、。至此我們具備了產(chǎn)生激光的一個(gè)必要條件：能夠?qū)μ囟l率的微弱入射光進(jìn)行受激放大，新的問(wèn)題是：入射光從何而來(lái)？解決之道自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會(huì)產(chǎn)生微弱的、頻率為 的熒光，可以作為受激輻射的入射光。要產(chǎn)生我們需要的高強(qiáng)度、方向性好的激光，還有兩個(gè)問(wèn)題要解決：要獲得最大的放大效果，需要近似無(wú)窮長(zhǎng)度的增益介質(zhì)，然而這在工程上不可實(shí)現(xiàn)的，如何盡可能的增加增益物質(zhì)的長(zhǎng)度？自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子的前進(jìn)方向是隨機(jī)的，如果直接對(duì)其進(jìn)行受激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機(jī)的，如何選擇特定方向的光來(lái)進(jìn)行放大得到方向性很好的激光？在激光的實(shí)際應(yīng)用中，利用各種不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔來(lái)解決上述兩個(gè)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔是

28、在工作物質(zhì)兩端放置兩塊平行的平面鏡而構(gòu)成的平行平面腔，通過(guò)讓需要放大的光在兩塊平面鏡之間反射，實(shí)現(xiàn)了近似于無(wú)限長(zhǎng)的增益介質(zhì)；通過(guò)限制平面鏡的尺度，使得自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱光在諧振腔內(nèi)反射的過(guò)程中，只有靠近平面鏡中心而且方向垂直于平面鏡的那部分光才能在其中多次反射，得到足夠多次的放大而形成激光，其它方向的光則迅速溢出諧振腔外，無(wú)法形成正反饋過(guò)程。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光方向性的選擇。2、激光的閾值條件(1)定義：激光振蕩所需的最低條件，叫“閾值條件”(2)損耗：反射鏡的損耗；除去反射鏡以外的每單位長(zhǎng)度上平均損耗系數(shù) 。閾值條件：總平均損耗系數(shù)：閾值條件：結(jié)論：激光器內(nèi)單位長(zhǎng)度的增益必須超過(guò)單位長(zhǎng)度

29、的損耗才能形成“自激振蕩”1-8 激光器和激光的特性一、激光器1、構(gòu)成： 工作物質(zhì)+諧振腔+激勵(lì)源2、分類：固體激光器：紅寶石、Nd:YAG氣體激光器：原子、分子、離子液體激光器：染料激光器新型激光器：光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、化學(xué)激光器固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。右圖是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。2. 紅寶石激光器（三能級(jí)系統(tǒng)）紅寶石是在三氧化二鋁(Al2O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長(zhǎng)成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3) ，它屬于三能級(jí)系統(tǒng)。

30、受激光輻射集居數(shù)反轉(zhuǎn)過(guò)程=基態(tài)上不穩(wěn)態(tài)能級(jí) 下亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)3.摻釹釔鋁石榴石(Nd3：YAG) （四能級(jí)系統(tǒng)）工作物質(zhì):將一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子(Nd3)，它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。 與三能級(jí)系統(tǒng)相比，四能級(jí)系統(tǒng)具有低的泵浦閾值光強(qiáng)固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體

31、激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。氣體激光器的分類原子-產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是 氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體，有時(shí)也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子氣體，或銫、鎘、銅、錳、錫等金屬原子蒸氣。分子（準(zhǔn)分子）-產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體分子，所采用的分子氣體有： CO、N2、 O2、 CO2、N2O和水蒸氣等；準(zhǔn)分子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當(dāng)受到激發(fā)時(shí)，可暫

32、時(shí)形成壽命很短的分子，稱為準(zhǔn)分子，這種分子也能產(chǎn)生激光。常采用的準(zhǔn)分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。離子-利用電離后的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣體離子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦-鎘(He-Cd)離子激光器。氣體激光器的工作原理電激勵(lì)-氣體放電在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導(dǎo)電(叫做氣體放電)，被電場(chǎng)加速的電子與氣體原子(或分子、離子)碰撞，使后者激發(fā)到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一過(guò)程稱為放電激勵(lì)。除放電激勵(lì)外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵(lì)氣體，使之躍遷到高能級(jí)，這稱為電子束激勵(lì)。氦-氖(He-Ne)激光器 (放電泵浦)在放電條件下陰極發(fā)射的電子主要與氦原子作非彈性碰撞使其躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上，再與氖原子碰撞產(chǎn)生能量的共振轉(zhuǎn)移，從而激發(fā)氖原子到不穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生激光。擴(kuò)散氖氦電子碰撞躍遷191817161514