激光原理与激光束的传输

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本课主要内容


光子和光子学 激光的产生及其基本性质 激光器工作原理和激光器件 激光的传输与变换 激光器的基本技术 激光生物医学原理
光子和光子学
光子与电子的异同: 不同点: 电子是物质,光子是能量 电子的质量是9.1×10-31kg、电荷是1.6×10-19k. 光子没有质量也没有电荷 电子有大小,光子没有大小 相同点: 都具有波长,具有波动性等
E4
E3 E2
(快) (慢)
N4
N3
N2
E1
N1
产生激光的第四个条件 激光器中开始产生的光子是自发辐射产生 的,其频率和方向杂乱无章。要使频率单 纯,方向集中,就必须有一个振荡腔。这 是产生激光的第四个条件。通信所用的半 导体激光器就是利用半导体前后两个端面 与空气之间的折射率不同,形成反射镜而 组成振荡腔的。
生物医学光子学
他是生物医学和光学交叉学科中最重要、 最活跃的一个分支。这门课程是从光学的 角度,研究生命科学中的光学现象、过程 和规律,介绍生物医学领域所应用的光技 术以及目前主要的研究课题。主要研究内 容包括激光与生物组织的相互作用,组织 中的光的传播,生物组织的光学特性,激 光光动力治疗物理学等
其中:
0 为光束的束腰半径,为最小的光斑尺寸
z z 0 1 Z 0
2
高斯光束的束宽
瑞利长度或共焦长度
1 2 Z 0 k0 2
2 0
瑞利长度为高斯光束的准直范围,在这段长 度内,高斯光束可以认为是平行的。所以, 瑞利长度越长,就意味着高斯光束的准直范 围越大,反之亦然。
麦克斯韦方程组和物质方程
麦克斯韦方程组
物质方程
亥姆赫兹方程及其解
稳态传输满足的亥姆赫兹方程
E ( x, y, z ) k E ( x, y, z ) 0
2
其解有: 1 平面波解 E(x,y,z)=E0e-ikz
其波阵面为垂直于波的传播方向的 平面,振幅与所考虑的坐标无关。 在同一波阵面 上振幅相等。如右图所示
N3 E2 N2
百度文库
N1
四能级系统
在外界激励下,基态E1的 粒子大量地跃迁到E4,然 后迅速转移到E3。E3能级 为亚稳态,寿命较长。E2 能级寿命较短,因而到达 E2上的粒子会很快回到基 态E1。所以在E3和E2之间 可能实现粒子数反转。由 于激光下能级不是基态, 而是激发态E2,所以在室 温下激光下能级的粒子数 很少,因而E3和E2间的粒 子数反转比三能级系统容 易实现。
1
上式表征的是高斯光束在空间传输距 离z时相对与几何相移的附加相移
综上所述:
高斯光束在其轴线附近可以看作是一种非 均匀高斯球面波,在传播过程中曲率中 心不断变化,其振幅在横截面内为一高 斯函数,强度集中在轴线及其附近,且 等相面保持为球面。这就是基模高斯光 束的基本性质。
BeamWaist
Wave Front

0 g 2 g1 1
0 g 2 g1 1
稳定腔
0 g 2 g1 或 g 2 g1 1 非稳定腔
g 2 g1 1 或 g 2 g1 0 界稳腔
高斯光束及其传输变换
高斯光束是亥姆赫兹方程在缓变振幅近 似下的一个特解,它可以足够好地描述 基模激光束的性质。使用高斯光束复参 数表示和ABCD定律能统一而又简洁地处 理高斯光束在腔内、外的传输变换。
激光原理与激光束的传输与变换
主要参考书籍



伍长征等。激光物理学。复旦大学出版社。1989 吕百达。激光光学光束传输变换与光腔物理。高 等教育出版社。2003 朱箐。激光医学。上海科学技术出版社。2003 刘敬海,徐荣甫。激光器件与技术。北京理工大 学出版社。1995 W.克希耐尔。孙文,姜泽文译。固体激光工程。 科学出版社。2003。
三能级系统
如果激励过程使原子从基态E1以 E3 很大概率W抽运到E3能级,处于 E3的原子可以通过自发辐射跃迁 回到E2或E1。假定从E3回到E2的 概率A32大大超过从E3回到E1的 概率A31,也超过从E2回到E1的 概率A21,则利用泵浦抽运使W> E1 W23或W>W12时,E2和E1之间 就可能形成粒子数反转。
这种表示是最简便、规范的高斯光 束表示方法。
矩阵光学


当光线通过一个区间时,假设光线进入 区间前入射角为 q 1,入射高度为y1,且 离开区间后出射角为 q 2,出射的高度为 y2 ,因此可以将其互相的关系以下式表 示: y2 =Ay1+ Bq 1 q 2 =Cy1+ Dq 1
激光产生和激光器的组成
灯泵浦的激光器结构图
激光的特点
激光与其他光源相比具有三大特点 1 方向性好 2 单色性好 3 相干性好
激光器谐振腔及其稳定条件
谐振腔:不但为激光振荡提供正反馈,还起到 限制激光振荡模式的作用,其作用不仅在于产 生激光,更重要的是决定输出光束的质量。 接下来分析谐振腔的结构。 定义结构参数:
d g1 1 R1 d g2 1 R2
其中R1,R2,d 分别为两个反 射镜的曲率半径及镜间间距
各种谐振腔结构
g1=g2=1,R1=R2= ∞ g1=g2~1,R1=R2>>d g1=g2=0,R1=R2= d g1=g2=-1,R1=R2= d/2 g1=1,g2=0,R1=∞,R2=d
粒子数反转
一个诱发光子不仅能引起受激辐射,而且它也能 引起受激吸收,所以只有当处在高能级的原子数 目比处在低能级的还多时,受激辐射跃迁才能超 过受激吸收,而占优势。由此可见,为使光源发 射激光,而不是发出普通光的关键是发光原子处 在高能级的数目比低能级上的多,这种情况,称 为粒子数反转。但在热平衡条件下,原子几乎都 处于最低能级(基态)。因此,如何从技术上实 现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
光的粒子性
1900年普朗克提出电磁辐射的能量子假设。 1905年爱因斯坦发展了量子假说,提出了光量 子理论,认为光在本质上是由确定能量的光子 (光量子)组成。光子的能量与光的频率成正 比。
光的波粒二象性
波粒二象性是一切物质所共有的特性。 光的波动性,也不是惠更斯所刷的波, 而是几率波。遵循统计规律。简单地 说,大量光子显波动性,少量光子显 粒子性,光在传播过程中主要表现为 波动性,当光与物质相互作用时,主 要表现为粒子性。
光的颜色是由光的波长决定的。
从380nm到760nm (1nm=10-9m)之间为可见波段, 其颜色分别为380nm~430nm紫、430nm~485nm 蓝、485nm~570nm黄、585nm~610nm橙、 610~760nm红, 其他小于380nm的为紫外波段大 于760nm为红外波段,这些波段为不可见光波段
Center of Curvature
C
2w0
O
z
R
Basic parameters describing a Gaussian beam
高斯光束的复参数表示
高斯光束可以由R(z)、ω(z)和z中任意两个即可 确定,因此用复参数q将这三个量联系起来。 定义q为
1 1 i 2 q R
激光
激光英文单词为:Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。
受激辐射和光的放大
受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射 公式时,第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐 射的可能性,这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下:原子开始处于高能级E2,当一个外 来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可 以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受 激辐射的光子有显著的特点,就是原子可发出与诱发光子全同 的光子,不仅频率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以 及光波的相位都完全一样。于是,入射一个光子,就会出射两 个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过 程中产生并被放大的光,就是激光。
二能级系统 如果激光器运转过程中有关的能级只有两个,用有效的 激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。 设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为N1和N2,自发辐 射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如 果能级统计权重相等,因而W12=W21=W。E2能级上粒子数 N2的速率方程为 dN2/dt=W(N1-N2)-A21N2, 当达到稳定时,dN2/dt=0, N2/N1=W/(W+A21) 可见,不管激励手段如何强,(A21+W)总是大于W, 所以N2<N1。这表明,对二能级系统的物质来说,不能实现 粒子数反转。
2 激光的产生
普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由于物质 在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中 的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子 被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级 (E2)的电子寿命很短(一般为10-8~10-9秒),在没有外 界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光 (电磁波)辐射。辐射光子能量为 hυ=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随 机过程,各发光原子的发光过程各自独立,互不关联,即所 辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外位相、 偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度,所以发射 光的频率也不是单一的,而有一个范围。
激光的产生及其基本性质

1、 光的波粒二象性 光的波动性----光是横向电磁波。 光波的波长λ、长波速度v与振动频率v的关系 v=λv 光在真空中的速度为3×105km/s。在物质中的传 播速度是不相同的。光波真空中的传播速度与物 质中的传播速度比为物质的折射率 n=c/v (c为真空中的光速,v为物质中的光速)

光子和光子学
•光子学也可称光电子学,它是研究以光子代替电 子作为信息载体和能量载体的科学,主要研究光 子是如何产生及其运动和转化的规律。 •光子技术,主要是研究光子的产生、传输、控制 和探测的科学技术。现在,光子学和光子技术在 信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境 科学技术中的广泛应用,必将促进光子产业的迅 猛发展。
谐振腔的稳定条件 它是衡量谐振腔的特性的首要因素,特别是对 于增益系数小的介质,希望光束能在腔内更多 地来回传播,以便获得足够大的增益。 定义: 把光束不逸出腔外的谐振腔体称为稳定腔。 若光束仅仅往返几次便逸出腔外,这种腔体 称为不稳定腔。
腔的稳定条件: d d 0 (1 )(1 ) 1 R1 R2
2 球面波
球面波振幅函数为
E(x,y,z)=E0e-ikR/R
R为观察点(x,y,z)到传播中心的距离,同一等相 面内振幅值与球面半径有关。如图所示
R z
3缓变振幅近似下的亥姆赫兹方程的解—高 斯光束

高斯光束的振幅
k r2 E00 r2 E (r , z ) exp 2 exp i z z 2 Rz
光学谐振腔结构
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 )
产生激光的第五个条件
这些晶体和谐振腔都会使光子产生损 耗。只有使光子在腔中振荡一次产生 的光子数比损耗掉的光子多得多时, 既要产生相长的振荡,才能有放大作 用,这是产生激光的第五个条件
产生激光的第三个条件:
前面分析了产生激光的必要条件是受激 辐射,而粒子数反转又是产生激光的一 个条件,激光的产生必须选择合适的工 作介质,可以是气体、液体、固体或半 导体。在这种介质中可以实现粒子数反 转,以制造获得激光的必要条件。显然 亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转 是非常必须的。
形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
远场发散角
0 lim z z 0
高斯光束远场发散角在数量级上等于束腰半 径光束的衍射角,即已达到衍射极限。而且, 高斯光束的远场发散角既包含了传输距离z处 的几何张角,也包含了衍射发散部分的贡献。
z
高斯光束的相移
z tan Z 0
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