激光简介

激光简介普通光源------自发辐射激光光源------受激辐射激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”(L ight A mplication by S timulated E mission of R adiation)。

特点：相干性极好♦时间相干性好（∆λ～10-8Å相干长度可达几十公里）;♦空间相干性好（有的激光波面上各个点都是相干光源）。

方向性极好（发散角～10 –4rad）脉冲瞬时功率大（可达～10 14W）亮度极高二．种类：按工作物质分固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓GaAs）按工作方式分连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达1014 W）三．波长：极紫外──可见光──亚毫米(100 n m ）（1.222 m m ）§１粒子数按能级的统计分布原子的激发由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原玻耳兹曼统计分布：若E2 > E1，则两能级上的原子数目之比T～103 K；kT～1.38×10-20 J ～0.086 eV;E2-E1～1eV;故110508611212<<≈==----.kTEEeeNN要产生激光必须使原子激发，且N2 > N1,这称为粒子数反转(population inversion)。

原子激发的几种基本方式：1．气体放电激发2．原子间碰撞激发3．光激发§2 自发辐射受激辐射和吸收一. 自发辐射(spontaneous radiation)设N1、N2 −单位体积中处于E1、E2能级的原子数，单位体积中单位时间内，从E 2 → E1自发辐射的原子数： 2自发21N dt dN ∝⎪⎭⎫ ⎝⎛写成等式Ａ21−自发辐射系数，是单个原子单位时间内发生自发辐射过程的概率。

二．受激辐射(stimulated radiation)E 1 E 2N 2 1 E E N 2 N 1 全同设 ρ（ν、Ｔ）——温度为Ｔ 时, 频率为ν = (E 2 - E 1) / h 附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。

单位体积中单位时间内，从E ２→ E １受激辐射的原子数：2受激21N )T (dt dN 、νρ∝⎪⎭⎫ ⎝⎛ 写成等式B 21−受激辐射系数。

令 W 21 =B 21· ρ（ν、T ）W 21—单个原子单位时间内发生受激辐射过程的概率。

三. 吸收(absorption)上述外来光也有可能被吸收，使原子从E 1→E 2。

单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E 1→E 2的原子数：()1吸收12N T ,dt dN νρ∝⎪⎭⎫ ⎝⎛写成等式B 12—吸收系数令 W 12=Ｂ12 ρ(ν 、T)W 12—单个原子单位时间内发生吸收过程的概率。

A 21 、B 21 、B 12 称为爱因斯坦系数。

爱因斯坦在 1９１７年从理论上得出E E N 1B 21 = B 12爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。

§3 粒子数反转一.为何要粒子数反转从E 2——E 1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。

()221221受激21N W N T ,B dt dN ==⎪⎭⎫ ⎝⎛νρ()112112吸收12NW N T ,B dt dN ==⎪⎭⎫ ⎝⎛νρ产生激光必须满足以下关系：吸收12受激21⎪⎭⎫ ⎝⎛>⎪⎭⎫ ⎝⎛dt dN dt dN因 B 21=B 12W 21=W 12∴ 必须N 2 > N 1（ 粒子数反转），即只有粒子数反转才能使受激辐射居于主导地位。

为了促使非热平衡态即粒子数反转的出现，必须用一定的手段去激励原子体系。

在气体激光器中采用“放电激励”，在固体或染料激光器中采用“(脉冲)光激励”。

二．粒子数反转举例为了产生粒子数反转，需要三能级或三能级以上的能级系统。

♦上能级应为“亚稳态”自发辐射系数小、以便于粒子的积累；♦下能级不应是基态，而且对下下能级的自发辐射要大，以便于实现上能级对下能级的“粒子数反转”。

例. He-Ne 气体激光器的粒子数反转及其工作原理He ─Ne 激光器中He是辅助物质、Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶1到10∶1。

上图为He和Ne的有关能级图。

Ne可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0.６３２８μｍ、1.15μm、3.39μｍ。

由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大，而且23S，21S 这两个能级都是亚稳态，很难回到基态，因此在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。

又由于Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”，即在碰撞中He把能量传递给Ne 而回到基态，而Ne则被激发到5S或4S。

要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数。

现在，Ne 的5S和或4S也是亚稳态，下能级4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就有利于形成粒子数的反转。

将放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。

借助这种碰撞，3S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态，以及时减少3S态的Ne原子数，有利于激光下能级4P与3P态的抽空。

§4 增益系数激光器内受激辐射光来回传播时，并存着：增益与损耗两种因素。

增益——光的放大;损耗——光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射镜处的激光输出）等。

一．激光在工作物质内传播时的净增益设 x ＝0处，光强为I 0x Ix+dx I + d I有 d I ∝ Idx写成等式 d I = G I dx定义：增益系数G (gain coefficient)即单位长度上光强增加的比例。

一般G 不是常数。

为简单起见，先近似地认为G是常数。

有⎰⎰=x II I dI Gdx 000I Iln Gx =G x e I I 0=二. 考虑激光在两端反射镜处的损耗R 1、R 2 —左、右两端反射镜的反射率。

I 0—激光从左反射镜出发时的光强。

I 1—经过工作物质后，被右反射镜反射出发时的光强。

I 2 —再经过工作物质，并被左反射镜反射出发时的光强。

显然有 I 1 = R 2 I 0 e GLI 2 = R 1 I 1 e GL = R 1 R 2 I 0 e2GL须 I 2 / I 0 > 1即 R 1 R 2 e 2GL > 1或 m G R R ln L G =>21121式中G m ——称为阈值增益，即能产生激光的最小增益。

当光强增大到一定数值后须 I 2 / I 0 = 1即 m G R R ln L G ==21121三. 阈值条件激光由形成阶段的G > G m ,到稳定阶段的G = G m ，G 是在逐渐减小的，实际的增益系数G 不是常量。

当 I ↑时，由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱和输出的增加，会使 G ↓ （负反馈）。

当光强增大到一定程度，G下降到Ｇm时，增益=损耗，激光就达到稳定了。

通常称为阈值条件(threshold condition)。

§5 光学谐振腔纵膜与横模(optical harmonic oscillator)(longitudinal mode and transverse mode)激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。

一．光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。

二．光学谐振腔的选频在光学谐振腔内某些频率的光形成稳定的驻波。

因为这些稳定驻波的频率与腔的纵向长度有关,所以这样的每一个振动模式称为一个“纵模”。

此外,输出激光的光强沿腔的横向也有各种可能的稳定分布,这样的每一个横向的光强分布模式称为一个“横模”。

♦选频之一：对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出其中一种跃迁。

阈值条件为例如，若氦氖激光器Ne 原子的0．6328μm,1.15μm, 3.39μm 的受激辐射光中, 我们只让波长0．6328μm 的光输出，可以利用阈值条件把其他波长的光抑制掉，方法是：控制Ｒ1、Ｒ2的大小来达到目的， 对0.6328μm —Ｒ1、R 2大—G m 小(易满足阈值条件，形成激光) ； 对1.15 μm 、3.39μm —Ｒ1、Ｒ2小—G m 大（不满足阈值条件，形不成激光）。

♦选频之二：对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。

设氦氖激光器N e 原子的0．6328μm 受激辐射光的谱线宽度为∆ν, 如图所示。

∆ν ~1.3⨯109Hz由于 λνc =()Å1071103103110632828921022--⨯=⨯⨯⨯⨯==→=∴..c )(c ν∆λλ∆λ∆λν∆取绝对值为何激光的谱线宽度只有Å108-呢？ 由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有光程 2kk nL λ= ( k =1、2、3、…．) n ——谐振腔内媒质的折射率；λk ——真空中的波长。

可以存在的纵模频率为nL c k ck k 2==λν相邻两个纵模频率的间隔为Ｌ～1ｍ； n ～1.0；c ～３×108 m /sZ k .nL c H ⨯=⨯⨯⨯==∆8810511121032ν 由于氦氖激光器 0.6328μm 谱线的宽度为∆ν = 1．3×109 H Z因此，在∆ν 区间中，可以存在的纵模个数为 81051103189≈⨯⨯==..N k ν∆ν∆ 要想减少输出纵膜的个数，甚至实现单纵膜输出，可采取以下措施：加大纵模频率间隔∆νk，使∆ν区间中只存在一个纵模频率。

比如管长Ｌ从1m 缩短到10 cｍ，即Ｌ→ L/10则∆νk→10 ∆νk在∆ν区间中，可能存在的纵模个数为Ｎ=１如图所示。

于是就获得了频率宽度非常窄的激光输出，极大地提高了0.6328μm谱线的单色性。

激光除了纵模之外，还有横模。

某些激光横模的光强分布如下图：基横模有以下特点：亮度高、发散角小、在激光光束的横截面上径向光强分布均匀、横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。

除有特殊需要外，一般都选择基横模输出。

小结：产生激光的必要条件ｌ. 激活介质（有合适的能级结构，有合适的亚稳态能级，能实现粒子数反转）；２. 激励能源（供给能量使原子激发,维持粒子数反转状态，保证阈值条件满足）；３. 光学谐振腔（维持光振荡----光放大，使激光有良好的方向性和单色性）。

§6 激光的特性及其应用一. 利用激光高强度、良好的方向性加工：♦钻孔（烧穿）：可高效率加工硬质合金、钻石等。