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⋅=
3.2.2 光辐射量子理论基础
2 爱因斯坦关系
•大量粒子构成的粒子体系(如原子或分子等)中，三种跃迁同时存在。

•E 2自发辐射的能量E 2—E 1的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使E 1上粒子发生受激吸收，使E 2上粒子发生受激辐射，三种过程相互联系，
•相互联系可由表示原子特定能级E 1、E 2特性的参数A 21、B 21、B 12来表示。

•设一原子系统两特定能级E 1、E 2简并度分别为g 1、g 2;，在温度T 处于热平衡状态，E 1、E 2能级原子数密度分别为N 1、N 2，
•
则原子系统从吸收能量E 2—E 1后，单位时间内从E 1跃迁到E 2能级的原子数为：
•
处于E 2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E 1上的原子数为：
•
由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：
()1
211212N νρB N =∆()[]2
21212121N B νA N ρ+=∆21
12N N ∆=∆
• 3.2.2 光辐射量子理论基础
ν
ρ包括：自然展宽，碰撞展宽和热振动展宽等。

a.自然展宽
由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的粒子本身固有性质决定，自然存在，因而称为自然展宽(natural broadening)。

自然展宽的线型函数可以用经典的辐射理论来确定，将原子视为一个电偶极子，则电子在其平衡位置附近简谐振动引发的辐射场为：
()t
πνi t/τ
e
e
E t E 020-=式中τ为振幅E 降为的倍时所经历的时间，
为电子无阻尼振动频率，令强度阻尼函数为，则振幅阻尼为，于是有
0E e 10νσ2σ(1)均匀展宽
c.热振动展宽
•由晶格热振动引起的谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。

(2)非均匀展宽
•非均匀展宽的特点是粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。

这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。

高斯线型与洛仑兹线型的比较。