激光原理与应用

x)
2 光波模式与光子相格
y
x
在有边界条件限制的空间V内，只能存在一
系列独立存在的、具有特定波矢k的单色平
面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光
波模式。考虑如图所示的金属空腔，任何能
够存在的驻波应该满足以下条件：



z
x m , y 2
由波矢的表达式
n, 2
k
z 2
nl可2以得其到中波m矢、的n、三l为正整数
• 现在世界上功率最 大的激光器是美国 的国家点火工程 （NIF）中使用的 NOVA激光系统， 其峰值功率达到 1.3PW（1015W）。
激光发展的现状
– 更小
• 各种工业指示、标记、探测 用的半导体激光器或者半导 体泵浦固体激光器向着小型 化方向发展；
激光发展的现状
–更集成
各种通信用的 激光模块，往往 包含十几个甚至 几十个半导体激 光器，并且集成 了调制、功率检 测、温度监测等 功能模块。
（1）一维运动时：在 xPx h 的二维相空间面积元内的 粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。
（3）三维运动时：在xPxyPyzPz h3的六维相空间体积元 内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。
在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：
3
3
kxkykz xyz V
1.4 激光原理
1、光子的基本性质
一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！
1、ห้องสมุดไป่ตู้子的能量： h
2、光子的质量： m h c2
3、光子的动量：
P
m cnˆ0

hυ c
nˆ0

h λ
nˆ0
p
k ;
h ;
2
k
2
n0
4、光子有两个独立的偏振态。
5、光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量 光子的集合服从玻色——爱因斯坦分布。处 于同一状态的光子数目没有限制，这是光子 与其他服从费米统计分布的粒子的重要区别。
二、光的粒子性和波动性的统一：利用量子电动力学的理 论，将电磁场量子化。
1、电磁场的本征模式：具有基元能量 hl和基元动量kl的物
质单元即属于同一本征模式的光子。
2、具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分，应属于同 一模式（或状态）。
3、处于同一模式或同一壮态的内的光子数目是没有限制的。
4、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的线 性叠加。
激光发展的现状
– 更快
• 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
– 更多样化
• 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、 热泵浦等、磁泵浦；
• 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体 （He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子 等；
灯泡內充入卤钨循环剂（如 氯化碘、溴化硼等），在一 定温度下可以形成卤钨循环， 即蒸发的钨和玻璃壳附近的 卤素合成卤钨化合物，而该 卤钨化合物扩散到温度较高 的灯丝周围时，又分解成卤 素和钨。这样，钨就重新沉 积在灯丝上，而卤素被扩散 到温度较低的泡壁区域再继 续与钨化合。这一过程为钨 的再生循环。
– 1成9了60第年一年台中四，能IB级M实固验体室激利光用器C；aF2中的三价铀制
– 1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和 Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；
– 1962年，GaAs半导体激光器；
– 1963年，液体激光器；
– 1964年，CO2激光器； – 1964年，离子激光器；
– 1951年,汤斯(Townes)提出受激辐射微波放大，即 MASER的概念。
– 1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒 子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便 研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大 方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。
"for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"
可见光波长：400~760 nm
– 2.高压汞灯
• 当汞灯內的蒸气压达到1∼5大气压时，汞灯电弧 的辐射光谱就会产生明显变化，光谱线加宽，出 现弱的连续光谱，紫外辐射明显减弱，而可见辐 射增加，其光谱分布如图2-9⒝所示。
TiO2在紫外光催化上的应用
3.球形超高压汞灯
点燃时，灯內汞蒸气压达到1∼20MPa（约10∼200个大 气压），这样灯的辐射光谱与高压汞灯相比有明显的 不同：紫外辐射减少，可见辐射光谱线较宽，连续部 分增加，并且红外光谱辐射增强。
8
P 2 1 4 k2d k/ 3
由 可波 以矢得8的到定在义 体有 积： 为 VV的 k腔内2，
2
c
;d
k
2
c
d
频率 附近 d 间隔内的模
式数P为：
P

8
2
Vd
c3
因此单位体积内，频率 附
近，单位频率间隔的模式数为：
n

热辐射源
• 一、太阳
– 直径为1.392 × 109 m的光球。它到地球的年平均 距离是1.496 × 1011 m。因此从地球上观看太阳时， 太阳的张角只有0.533°。
大气层外的 太阳光谱能 量分布相当 于5900K左 右的黑体辐 射。其平均 辐亮度为 2.01×107W m-2sr-1
• 二、卤钨灯
8
c3
2
在频率很高的光频波段 ,由于λ<<L ,空腔中模密度很大， 因而Laser的制成面临更大的挑战。 四、光子态——从粒子性来讨论
1、经典力学中粒子运动状态的描述
用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐 标（x,y,z,px ,py ,pz）精确描述！
2、光子运动状态的描述
受测不准关系的限制，其坐标和动量不能同时准确测定！
8、氘灯 氘灯是一种热阴极弧光放电灯，泡壳內充有高纯度的氘 气。氘 是氢的同位素，又叫重氢。工作時先加热灯丝， 产生电子发射，当阴极加高压后，氘原子在灯內受高速 电子的碰撞而激发，从阴极小圆孔中辐射出连续的紫外 光谱（185∼500nm）。
– 氘灯的紫外线辐 射强度高、稳定 性好、寿命长， 因此常用作各种 紫外分光光度计 的连续紫外光源。
x y
z
kz
2 / z
4、光波模式：能存在于腔内的以波矢 k为标志的电磁 波独模立式的。偏不 振同 态模 ，式 则以同一k波区矢分，k同对一应两k又个由不于同对偏应振两方个向 的光波模式。

波矢在 k , k d k
范围内的波矢空间体积为：
1
4
k2d
k
则在该空间内所包含的光波模式数为：
卤钨灯
特点：色温3000K左右； 光谱范围宽，但红外光谱部分能量过高。
G 气体放电光源
– 图2-8是常用 气体放电灯的 外形图。表22列出了常用 的气体放电灯 的种类、性能 以及它们的主 要应用领域。
– 原理:受激电子的自发辐射.
– 气体放电灯的 基本结构是相 似的.
• 一、汞灯 – 1.低压汞灯
– 1950年，卡斯特勒(Kastler)提出了光学泵浦的方法，两年后 该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波 谐振的方法而获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
• 突破
– 1958年肖洛(Schawlow)和Townes在Phy. Rev. 上 发表论文“Infrared and Optical Maser”，标志着 激光作为一种新事物登上了历史舞台。
– 1960年5月，休斯实验室的梅曼(Maiman) 研制的 红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是 公认的世界上第一台激光器。
个分量：
kx


x
m,

ky

y
n, kz


z
l
ky
2 / y
如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的
/ y
模式，每个不同的模式分别占据图中的一个
方格。可以求出在该空间中一个模式占据的
体积为：
3
3
/ z
kxkykz xyz V
/ x
k 2 / x x
1.4 .2激光原理
1 激光的发展与现状
• 什么是激光？ • LASER：
– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
• 激光：
– 受激辐射光放大
• 死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》 • 镭射：LASER的音译
– 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激 辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；
汞灯、氙灯、空心阴极灯、氘灯。 ③ 固体发光光源
场致发光光源、发光二极管、分光光度计光源。
相干光源包括： ① 激光
气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光 器、等离子激光器。 ② 非线性光学器件 主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种
新的相干光源，如光参量振荡器、高次谐波激光器、 和频与差频发生器、受激拉曼散射。
辐射源发射光的颜色与黑体在 某一温度下辐射光的颜色相同, 则黑体的这一温度称为该辐射 源有色温。