光電子技術(shù)課件4 激光原理

第１章光輻射與發(fā)光源本章概述▲電磁波譜與光輻射

（§1-1）掌握電磁波的性質(zhì)和光輻射的特點(diǎn)▲輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)

（§1-2）理解七個(gè)輻射量和光度量的概念▲熱輻射基本定律

（§1-3）掌握三個(gè)定律和三個(gè)公式▲激光原理

（§1-4）掌握激光產(chǎn)生的物理機(jī)制▲典型激光器

（§1-5）了解幾種常見(jiàn)激光器1.4激光原理1.4.1激光及其特性1.4.2激光器的發(fā)展歷史1.4.3光輻射量子理論1.4.4激光產(chǎn)生的必要條件1.4.5激光器的基本結(jié)構(gòu)

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1.4.1激光及其特性Laser：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：在一定條件下，光與粒子（原子、分子或離子）系統(tǒng)相互作用而產(chǎn)生的受激輻射光放大

。

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激光的特性與普通光源相比，激光具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)紊院茫弘礋簦ā鳓?4.7*10-4nm）vs氦氖激光器（△λ=2*10-9nm）方向性好：探照燈（△θ～0.1°）vs激光器（△θ～mrad）亮度高：亮度：光源在單位面積上向某一方向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率太陽(yáng)表面（2×103W/cm2·sr（球面度））vs紅寶石激光器（1011W/cm2·sr）

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相干性好：相干性：不同時(shí)刻或不同空間位置光場(chǎng)之間的相關(guān)性空間相干性：某個(gè)時(shí)刻，在空間不同點(diǎn)上的光場(chǎng)之間的相關(guān)性。光束的發(fā)散角越小，空間相干性越好。時(shí)間相干性：在空間某點(diǎn)上，不同時(shí)刻光場(chǎng)之間的相關(guān)性。單色性越好，時(shí)間相干性越好。相干時(shí)間：

相干長(zhǎng)度：氪燈（Lc～78cm）vs氦氖激光器（Lc～200km）

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激光的特性1916年，美國(guó)愛(ài)因斯坦，提出概念，指明獲得途徑(《關(guān)于輻射的量子理論》)1954年，美國(guó)湯斯（C.H.Townes），研制成功MASER(微波激射器)，1958年，美國(guó)和前蘇聯(lián)科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出了實(shí)現(xiàn)激光振蕩的具體設(shè)想：美國(guó)肖洛（A.L.Schawlow）/湯斯（C.H.Townes）：《紅外和光學(xué)振蕩器》）前蘇聯(lián)巴索夫（N.G.Basow）/普洛霍夫（M.Prohorov）：《實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器的建議》1.4.2激光器發(fā)展歷史1960年，美國(guó)梅曼(T.H.Maiman)，

紅寶石激光器問(wèn)世（波長(zhǎng)694.3nm）從理論到實(shí)現(xiàn)歷時(shí)44年，原因有二：當(dāng)時(shí)對(duì)激光的社會(huì)需求不迫切，還沒(méi)有引起資助部門(mén)的注意，學(xué)者受微波振蕩器金屬封閉腔模型束縛，沒(méi)有找到技術(shù)關(guān)鍵1960年秋，美國(guó)Javan等1.15m連續(xù)振蕩He-Ne氣體激光器。1962年，美國(guó)Nathan、Hall和Quist在77K（-196.15℃）溫度下成功制成GaAs（砷化鎵）半導(dǎo)體激光器。

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1966年，Sorokin

等激光泵浦若丹明6G寬可見(jiàn)光區(qū)域可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。1966年，美國(guó)Dimmock、Bulter、Melngailis等低溫工作窄帶半導(dǎo)體近紅外可調(diào)諧激光器。1970年，美國(guó)Lin等雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。1980年后，等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反饋(DFB)激光器、分布布拉格發(fā)射(DBR)激光器、超快激光器、自由電子激光器以及隨機(jī)激光器等相繼問(wèn)世。波長(zhǎng)：紅外、可見(jiàn)光、紫外、極紫外乃至x射線峰值功率：〉100TW（1TW=1012W）量級(jí)最高平均功率：〉MW（1MW=106W）量級(jí)調(diào)諧范圍：從200nm延伸到4m。1.4.3光輻射量子理論

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愛(ài)因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合普朗克能量子假說(shuō)，提出了光量子理論：光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流，光子和其它基本粒子一樣，具有能量、動(dòng)量和質(zhì)量。它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿(mǎn)足能量公式和質(zhì)能方程。光子具有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)，具有自旋。三種原子躍遷過(guò)程在普朗克用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及波爾提出原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子化假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，并認(rèn)為光和物質(zhì)中原子的相互作用過(guò)程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷與受激吸收躍遷三種過(guò)程。

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自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射：處于高能級(jí)態(tài)E2的原子自發(fā)躍遷到低能級(jí)態(tài)E1，并同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子。式中，h：普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·sv21：躍遷產(chǎn)生的光波頻率。自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射概率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從高能級(jí)態(tài)E2上發(fā)生自發(fā)輻射的原子數(shù)密度占高能級(jí)總原子數(shù)密度的比值。其中N21：高能級(jí)上發(fā)生自發(fā)輻射的原子數(shù)密度，

N2：高能級(jí)上總的原子數(shù)密度。A21代表每個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)E2E1能級(jí)的自發(fā)輻射幾率，又稱(chēng)自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)。

A21完全由原子系統(tǒng)的兩特定能級(jí)特性決定，與外界信號(hào)無(wú)關(guān)———一定原子的特定能級(jí)，A21是定值；

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自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射的特點(diǎn)是：這種過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同，不同光波列是不相干的，其相干性、單色性、方向性都很差。普通光源發(fā)光就是自發(fā)輻射。自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射壽命：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積內(nèi)，E2上減少的原子數(shù)量為：于是有：

τs

稱(chēng)為E2

能級(jí)的自發(fā)輻射壽命

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自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射壽命的物理意義：經(jīng)過(guò)s后，E2上的原子數(shù)密度N2減少到初值N20的1/e倍。s

越大，表明原子在E2上逗留時(shí)間越長(zhǎng)。s無(wú)窮大時(shí)，稱(chēng)E2為穩(wěn)態(tài)s

較長(zhǎng)的能態(tài)稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)

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受激輻射躍遷受激輻射：處于高能級(jí)態(tài)E2的原子在頻率21=（E2-E1）/h

的外界光作用下躍遷到E1，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）、且與外界光信號(hào)同一狀態(tài)的光子，這兩個(gè)光子再去誘發(fā)產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個(gè)入射光子作用下，就可以產(chǎn)生大量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的光子，這一過(guò)程稱(chēng)為受激輻射。

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受激輻射概率：在頻率21=（E2-E1）/h

的外界光信號(hào)作用下，單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)態(tài)E2

躍遷到低能級(jí)態(tài)E1的原子數(shù)密度N21與高能級(jí)E2上總的原子數(shù)密度N2

之比的比值。受激輻射躍遷為愛(ài)因斯坦受激輻射系數(shù),只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場(chǎng)能量密度

為E2能級(jí)上的粒子數(shù)密度,

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受激輻射躍遷受激輻射的特點(diǎn)是：這種過(guò)程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來(lái)光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過(guò)程中，輸入一個(gè)光子，可以得到兩個(gè)狀態(tài)完全相同的光子輸出。并且這兩個(gè)光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大原理。激光器發(fā)光，正是利用受激輻射的上述特點(diǎn)，所以激光具有單色性好、方向性好、亮度高以及相干性好的特點(diǎn)。

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受激吸收躍遷受激吸收：處于低能級(jí)態(tài)E1的原子在頻率為21=（E2—E1）/h

的輻射場(chǎng)作用下吸收一個(gè)光子，并躍遷高能級(jí)態(tài)E2的過(guò)程。

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受激吸收躍遷受激吸收概率：由于受激吸收，單位時(shí)間從E1能級(jí)躍遷到E2

能級(jí)的原子數(shù)密度N12與E1能級(jí)總原子數(shù)密度N1的比值。為愛(ài)因斯坦受激吸收系數(shù),只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場(chǎng)能量密度

為E1能級(jí)上的原子數(shù)密度,愛(ài)因斯坦關(guān)系

大量粒子構(gòu)成的粒子體系(如原子或分子等)中，三種躍遷同時(shí)存在。E2自發(fā)輻射的能量(E2-E1)

的光子，對(duì)其它粒子而言可視為外來(lái)入射光，使E1上粒子發(fā)生受激吸收，使E2上粒子發(fā)生受激輻射，三種過(guò)程相互聯(lián)系，這種相互聯(lián)系可由表示原子特定能級(jí)E1、E2特性的參數(shù)A21、B21、B12來(lái)表示。

愛(ài)因斯坦關(guān)系

設(shè)一原子系統(tǒng)兩特定能級(jí)E1、E2簡(jiǎn)并度分別為g1、g2，在溫度T下處于熱平衡狀態(tài)，E1、E2能級(jí)原子數(shù)密度分別為N1、N2

。原子系統(tǒng)從吸收能量（E2-E1）后，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)受激吸收從E1

躍遷到E2

能級(jí)的原子數(shù)為：處于E2上的原子，單位時(shí)間通過(guò)自發(fā)輻射與受激輻射躍遷至E1上的原子數(shù)為：由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有以下關(guān)系式成立：即

因而有：

又由于在熱平衡狀態(tài)下，N1

、N2

按照玻爾茲曼分布：式中，k為玻爾茲曼常數(shù)。于是有：式中c為真空中光速，于是比較兩式，可知：此兩式即為著名的愛(ài)因斯坦關(guān)系式。若E1、E2

兩能級(jí)簡(jiǎn)并度相等，即g1=g2，則愛(ài)因斯坦關(guān)系式可簡(jiǎn)化為：在熱平衡條件下，光輻射的能量密度(21)

又可由普朗克公式給出：討論：1）受激吸收與受激輻射比較因n1>>n2，故：結(jié)論：熱平衡下，大量粒子受激吸收至高能級(jí)，而通過(guò)受激輻射返回低能級(jí)的粒子數(shù)很少。

愛(ài)因斯坦關(guān)系式2.1.4激光產(chǎn)生的必要條件設(shè)g1=g2=1,則：2）自發(fā)輻射與受激輻射比較

愛(ài)因斯坦關(guān)系式室溫下，普通輻射源的光子簡(jiǎn)并度躍遷粒子數(shù)之比：結(jié)論：熱平衡下,受激輻射概率(或粒子數(shù))遠(yuǎn)小于自發(fā)輻射概率(或粒子數(shù))。推論：熱平衡下(n1>>n2)，大量粒子受激吸收至高能級(jí)，主要通過(guò)自發(fā)輻射返回低能級(jí)，不能有效產(chǎn)生激光（受激輻射的光放大）。產(chǎn)生激光的兩個(gè)必要條件：第一，使系統(tǒng)處于非熱平衡態(tài)(n1<<n2)，即實(shí)現(xiàn)粒

子數(shù)反轉(zhuǎn)，以使受激輻射優(yōu)于受激吸收——

激光工作物質(zhì)+泵浦源；第二，提高光場(chǎng)的光子簡(jiǎn)并度，減小振蕩模式數(shù)

，使受激輻射優(yōu)于自發(fā)輻射——諧振腔。1.4.5激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)——提供形成激光的能級(jí)結(jié)構(gòu)體系，激光產(chǎn)生的內(nèi)因；泵浦源——提供形成激光的能量激勵(lì)，激光形成的外因；光學(xué)諧振腔——為激光器提供反饋放大機(jī)制，提高受激輻射的強(qiáng)度、方向性、單色性。1.激光工作物質(zhì)

當(dāng)工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)，工作物質(zhì)處于激活狀態(tài)，光在此介質(zhì)中傳播時(shí)，就會(huì)獲得放大作用。也就是說(shuō)，原子系統(tǒng)一旦實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過(guò)程，就變成了增益介質(zhì)，對(duì)外來(lái)的光而言就變成了放大器。二能級(jí)系統(tǒng)：光泵浦，引起受激吸收，使N1減小、N2增加；受激輻射，N2減小、N1增加，兩過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，由于N1>N2,系統(tǒng)吸收光子，且N2增大，N1減小，最終N1=N2，吸收和受激發(fā)射相等，二能級(jí)系統(tǒng)不再吸收光子——自受激透射態(tài)。即便采用強(qiáng)光照射，受激吸收和受激輻射幾率相同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?！芗?jí)系統(tǒng)即使有入射光等激勵(lì)也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，不能用作激光工作物質(zhì)。要產(chǎn)生激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）不夠，至少需要一個(gè)可以使得粒子具有較長(zhǎng)停留時(shí)間或較小自發(fā)輻射幾率的能級(jí)：——亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)（亞穩(wěn)相對(duì)于穩(wěn)定的低能態(tài)或基態(tài)而言。）——激光工作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個(gè)能級(jí)。實(shí)際上激光工作物質(zhì)不外乎三能級(jí)或四能級(jí)結(jié)構(gòu)。典型三能級(jí)系統(tǒng)：1960年的第一臺(tái)激光器外界激發(fā)使粒子從E1躍遷到E3。E3壽命很短（10-9s量級(jí)），粒子無(wú)法停留，很快通過(guò)非輻射馳豫過(guò)程躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)(10-3s量級(jí)），允許粒子停留?！狤1的粒子不斷被抽運(yùn)到E3，很快轉(zhuǎn)到E2，在E2上大量積聚，當(dāng)把一半以上的粒子抽運(yùn)到E2，就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，此時(shí)若有光子能量為（E2-E1）的入射光，則將產(chǎn)生光的受激輻射，實(shí)現(xiàn)光放大。三能級(jí)系統(tǒng)要在亞穩(wěn)能級(jí)與基態(tài)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，要把總粒子數(shù)的一半以上從E1搬運(yùn)到E2，對(duì)激勵(lì)源的泵浦能力要求很高，也就是說(shuō)其激光閾值很高。反轉(zhuǎn)分布機(jī)制abc

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四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(c)，

E4到E3、E2到E1的無(wú)輻射躍遷幾率都很大；

E3到E2、E3到E1的自發(fā)躍遷幾率都很小，——外界激發(fā)使E1上的粒子不斷被抽運(yùn)到E4，又很快轉(zhuǎn)到亞穩(wěn)態(tài)E3，而E2留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。四能級(jí)結(jié)構(gòu)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，激光閾值很低，現(xiàn)在絕大多數(shù)的激光器都是四能級(jí)結(jié)構(gòu)。反轉(zhuǎn)分布機(jī)制abc介質(zhì)一般處于粒子數(shù)正常分布狀態(tài)，反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)必須用外界能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)。在外界作用下，粒子從低能級(jí)進(jìn)入高能級(jí)從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的過(guò)程稱(chēng)為泵浦。泵浦過(guò)程就是原子(或分子、離子)的激勵(lì)過(guò)程。把將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的裝置稱(chēng)為泵浦源或激勵(lì)源。泵浦源是組成激光器的三個(gè)基本部分之一，是形成激光的外因。而激光器是一個(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?。合適的激勵(lì)方式和能量大小對(duì)激光效率產(chǎn)生重要影響。2.泵浦源從直接完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方式來(lái)分，主要有以下泵浦方式：(1)光激勵(lì)方式：大多數(shù)固體激光器用一束自發(fā)輻射的強(qiáng)光或激光束直接照射工作物質(zhì)，利用激光工作物質(zhì)泵浦能級(jí)的強(qiáng)吸收性質(zhì)將這種光能轉(zhuǎn)化成激光能。(效率不高)

。(2)氣體輝光放電或高頻放電方式：大多數(shù)氣體激光器由于工作物質(zhì)密度小，粒子間距大，相互作用弱，能級(jí)極窄，且吸收光譜多在紫外波段，用光激勵(lì)技術(shù)難度大，效率低，故多采用氣體放電中的快速電子直接轟擊或共振能量轉(zhuǎn)移完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。(3)直接電子注入方式：半導(dǎo)體激光器直接電注入就可以完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且效率高。(4)化學(xué)反應(yīng)方式：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放的能量完成相應(yīng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦方式。化學(xué)激光器就是這類(lèi)泵浦方式，一般具有功率大的特點(diǎn)。熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能等等都可能用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦方式因工作物質(zhì)的能級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而定。泵浦方式

光學(xué)諧振腔是構(gòu)成激光器的重要器件，它不僅為獲得激光輸出提供了必要的條件——限制了可能的模式數(shù)目，同時(shí)還對(duì)激光的頻率(高單色性)、功率(高亮度)、光束發(fā)散角(方向性好)及相干性等有著很大影響。

兩平面鏡構(gòu)成的法－珀腔是一種最簡(jiǎn)單的諧振控。實(shí)際情況中，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及激光器類(lèi)型，可以采用不同曲率、不同結(jié)構(gòu)的諧振腔。但不管是