激光的基本原理

激光的基本原理張浩

目錄1.激光的發(fā)展2.激光的特性3.激光的基本原理4.激光的模式1.激光的發(fā)展1.1愛因斯坦的理論貢獻1917年提出光受激輻射的概念，從理論上預(yù)見了激光產(chǎn)生的可能性。

但是普通光源以自發(fā)輻射為主，受激輻射成分很少，當初沒有受到重視。

1.2第一臺激光器的誕生1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了世界第一臺紅寶石激光器，波長為649.3nm。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，LASER)2.激光的特性激光的特性可以概括為單色性，方向性，相干性和高亮度

。單色性

一個光源發(fā)射的光所包含的波長范圍越窄，它的顏色越單純，即光源的單色性越好。單色性最好的氪同位素Kr86燈：單色性?λ/

λ=10-6數(shù)量級單模穩(wěn)頻氦氖激光器：單色性?λ/λ=10-10~10-16數(shù)量級方向性一束激光射到38.6萬千米的月球上，光斑的直徑只有大約1千米。激光測量地月距離精度約為±15cm激光最小發(fā)散角相干性

1.時間相干性描述沿光傳播方向上各點的相位關(guān)系。

相干時間tc：指光束傳播方向上某點處，可以使兩個不同時刻的光波場之間有相干性的最大時間間隔，即光源所發(fā)出的有限長波列的持續(xù)時間。

相干長度Lc：可以使光束傳播方向上兩個不同點處的光波場具有相干性的最大空間間隔，即光源所發(fā)出的光波列長度。2.空間相干性:描述垂直于光束傳播方向的波面上各點之間的位相關(guān)系。指光場中不同空間點在同一時刻光場的相干性，可用相干面積S來描述高亮度

光源的單色亮度定義為光源在單位面積、單位頻帶寬度和單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率。3.激光的基本原理3.1三種躍遷過程自發(fā)輻射：無外電磁場作用時,粒子自發(fā)地從E2躍遷到E1發(fā)射光子hv，光子的相位，方向是隨機的，所以非相干。受激輻射：原處于高能級E的粒子,受到能量恰為ε=hv=E2-E1的光子的激勵,發(fā)射出與入射光子相同的一個光子而躍遷到低能級E1受激吸收：原處于低能級E的粒子,受到能量恰為ε=hv=E2-E1的光子照射而吸收該光子的能量,躍遷到高能級E23.2兩個能級的粒子數(shù)3.3激光產(chǎn)生的條件3.3.1受激輻射光放大在一個入射光子的作用下，可引起大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運動狀態(tài)完全相同的光子，這種現(xiàn)象稱為受激光放大。由于受激輻射產(chǎn)生的光子都屬于同一光子態(tài)，因此它們是相干的，在受激輻射中產(chǎn)生并被放大了的光，便是激光。通常情況下受激輻射概率是微乎其微的。3.3.2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)當物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想實現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)：外界向物質(zhì)提供能量（泵浦）高能級有較長的壽命3.3.3激活粒子的能級系統(tǒng)二能級系統(tǒng)上下能級的粒子數(shù)密度之比：3.3.4光的自激振蕩光學(xué)諧振腔光發(fā)大原理振蕩條件

產(chǎn)生激光振蕩的必要條件：增益大于損耗

閾值條件：激光器實現(xiàn)自激振蕩所需要的最低條件。激光產(chǎn)生需滿足的三個條件：?有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子，分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)?有外界激勵源，使激光上、下能級之間產(chǎn)生集居數(shù)轉(zhuǎn)?有激光諧振腔，并且使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。4.激光的模式激光場的每種本征狀態(tài)具有一定的振蕩頻率和空間分布，稱為一種激光模式。

激光模式分為：縱模表示諧振腔內(nèi)沿縱向的電磁場分布橫模表示在垂直于光軸的橫截面上的電磁場分布縱模橫模選?？v模選擇又稱選頻，選擇其中某一頻率縱模使之穩(wěn)定振蕩，而其余的頻率都被抑制，實現(xiàn)單一頻率的輸出