第三章B 激光原理与技术(朱京平)PPT概论

第3章

激光原理与技术

主要内容

• 3.1 相干光源、非相干光源与激光

• 3.2 光与物质相互作用理论——激光产生与传播基础• 3.3 激光产生的条件

• 3.4 激光器的基本结构及输出

• 3.5 激光的特点

• 3.6 激光器的种类

• 3.7激光脉冲技术

• 3.8 激光选模技术

• 3.9 激光稳频技术

• 3.10 其他激光技术

3.1 相干光源、非相干光源与激光

——非相干光源

•1878年12月，英国斯万（Swan）发明电灯泡。

•1879年10月，美国爱迪生（Edison）质量更好的电灯泡。•1938年，美国纽曼（Neuman）等研制成荧光灯

•目前, 呈现固体灯取代荧光灯的趋势。

–固体灯：利用超高亮度白光二极管或其他场致发光管制作–优点：体积小、转换效率高、耗电省、加压低

–应用：已有交通灯、路标、宣传、广告牌等

家用灯样品正走向实用。

3.1 相干光源、非相干光源与激光

——相干光源•

特点：

–方向：发散很小

–频谱：单一

–连续性：无限连续

–亮度：极高

–在时间、空间上相位同步

–

传输增益，出射光强增强激光器

非线性光源

(b)激光发射的相干光

3.1 相干光源、非相干光源与激光

——激光

•1916年，美国爱因斯坦，提出概念，指明途径(《关于辐射的量子理论》)•1954年，美国汤斯（C.H.Townes），研制成功MASER(致冷氨分子)，•1958年，美国和前苏联科学家几乎同时提出了实现激光振荡的具体设想：美国肖洛（A.L.Schawlow）/汤斯（C.H.Townes）

（“红外和光学振荡器”）

苏联N.G.Basow/M.Prohorov

(实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议)

•1960年，美国梅曼(T.H.Maiman) 红宝石激光器问世（波长694.3nm）•从理论到实现历时44年，原因有二：

–当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意，

–学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键

3.1 相干光源、非相干光源与激光

——激光

•1960年秋，美国Javan等1.15μm连续振荡He-Ne气体激光器。•1962年，美国Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光器。•1966年，Sorokin 等激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激光器。•1966年，美国Dimmock、Bulter、Melngailis等低温工作窄带半导体近红外可调谐激光器。

•1970年，美国Lin等双异质结连续振荡半导体激光器。

•1980年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格发射(DBR)激光器、超快激光器

–波长：紫外、可见、红外

–峰值功率：〉100TW量级

–最高平均功率：〉MW量级

–调谐范围：从200nm延伸到4μm。

3.1 相干光源、非相干光源与激光

——非线性相干光源

•来源：激光与各种非线性光学材料相互作用

•1961年，美国Mc. Clung和Hellwarth 发明激光调Q法，开辟道路。

•1962年，Woodburg等，受激喇曼激光器

•1969年，美国Patel等，自旋反转喇曼激光，

•1965年，美国与苏联成功实现光参量振荡，获得了另一种可调谐相干光源。•1968年，开始利用锁模技术制造超短脉冲激光器

•1969年获得亚皮秒（10-13秒）光脉冲，现4-5飞秒(10-15秒)激光器已商品化，向阿秒10-18秒）进军。

•1970年，Mooradian 等，宽可调谐范围高效连续振荡自旋反转喇曼激光器。•1971年，美国Dewey，用光差频法获得波长可调的红外光源；

•1972年，日本俊藤等，用和频产生出黄光；

•三次谐波产生、光整流效应等也相继得以实现。

（1）自发辐射

位于能级E 2，的原子不稳定，即使无外界光信号作用，也将在某一时刻自发跃迁到E 1，同时辐射出一个光子：

1

221E E h ν-=自发辐射

式中，h ：普朗克常数，：跃迁产生的光波频率。

21ν在没有光信号作用下自发地跃迁到低能态时所产生的光辐射

单个原子自发辐射是随机的，具有时间不确定性；

拥有大量原子的体系单位时间内E 2→E 1的原子数目统计结果是可以确定的

自发跃迁几率A 21：单位时间内自发跃迁的原子数密度与E 2上总原子数密度之比

2

21211N dt dN A sp ⋅

⎪⎭⎫ ⎝⎛=3.2.2 光辐射量子理论基础

代表每个原子在单位时间内E 2→E 1能级的自发辐射几率，又称自发辐射爱因斯坦系数。

A 21完全由原子系统的两特定能级特性决定，与外界信号无关——一定原子的特定能级A 21是定值；各原子自发跃迁中彼此无关——不同原子产生的自发辐射光的方向、位相、偏振状态无确定关系

辐射光是非相干的荧光。自发辐射是各种普通光源的发光机制。

(3)受激辐射

•

E 2上原子在频率ν21=（E 2—E 1）/h 的外界光作用下跃迁到E 1，同时辐射出能量为E 2 —E 1 、且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射。

•

受激发射几率W 21：在频率ν21=（E 2 —E 1 ）/h 的外界光信号作用下，单位时间内从E 2跃迁到E 1的原子数密度与N 2之比：

•不仅与原子特定能级跃迁机构性质有关，还与入射光信号的强度有关

••ρ(ν21)：频率为ν21的入射光波的能量密度

•

B21：爱因斯坦受激发射系数，仅与原子特定的能级跃迁机构性质有关。

•

受激发射光子与外界信号光子传播方向、振荡频率、偏振方向及相位都相同

212121st

dN W N dt ⎛⎫=⋅ ⎪

⎝⎭()

212121νB W ρ⋅=