激光原理与技术

例
设He-Ne激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折 射率n1,试求纵模频率间隔各为多少?
c 2nL 3 108 L 0.30m, 1 5 108 Hz 2 1 0.3 3 108 L 1.0m, 2 1.5 108 Hz 2 11.0
粒子数分布反转是介质对光放大作用的条件及产生激光的
前提
E2 E1
h
h
h h
8
受激吸收
受激辐射
二、光的受激放大
1.增益介质
可通过泵浦实现粒子数反转分布，光在此介质中受激辐射 大于受激吸收、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用
2.受激放大
增益介质对光的放大作用
I ( z ) I 0e
gz
不考虑损耗的情况下, g越大,z越大,对光的放大作用越 好, 但是g，z有限,也可能形成不了激光
6
§1.2 激光产生的原理及条件
Laser
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation
“受激辐射光放大”
7
一、粒子数反转分布及泵浦过程
1.粒子数反转分布
要使介质对光产生放大作用，必须使受激辐射超过受激吸收;
二者几率分别与上能级粒子数密度和下能级粒子数密度成正 比。
波长范围广(0.5—30μm)，寿命长(＞百万小时)，发散角大，单色性差， 易于调制，改变驱动电流可将输出 光调制到GHz。
应用:
通信光源、测距、激光光盘、唱片、印刷术、办公自动化、泵浦源
液体激光器
工作物质：有机染料
特点：输出的激光波长在很大范围内连续可调(0.34-1.2μm)
应用:
在光化学、光生物学、激光医学等方面
相干光源，可实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效率高
应用：CO2－常用于机械加工 ；
He-Ne －精密测试计量； Ar+－化学分析，全息摄影，激光照排，水下通讯。
18
半导体激光器
工作物质：GaAS(砷化镓)，InAS（砷化铟），Insb（锑化铟）、CdS（硫
化镉）
特点: 超小型，质量轻，成本低，可批量生产，能量转换效率高(＞30％)，
5mW，波长670nm，输出光束在水平方向和垂直方向上的 发散角分别为8º 和33º 。
气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向
性最好！ 气体激光器发散角接近衍射极限，是普通光源中方向性很好 的弧光的10-5~10-7，是当前最好探照系统的1/1000。 激光器方向性对其聚焦性能有重要影响 当一束发散角为2θ的单色光被焦距为f的透镜聚焦时，焦平面上 光斑直径为
86Kr放电灯的相干长度？
28
2.空间相干性（同时异地） 定义：
同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性 以杨氏实验为例
① 狭缝间距一定
光源临界宽度
bc R / d /
杨氏双缝干涉
29
② 光源宽度一定
狭缝最大允许距离即横向相干长度可表示为
dc R / 2b /
外腔式激光器一样进行各种实验；同时，有一布儒斯特窗片可输出偏振光。
16
六、激光器的分类及特点
按工作波段分类


远红外、红外激光器 可见光激光器 紫外、真空紫外激光器 X光激光器
按运转方式分类
连续激光器 脉冲激光器 超短脉冲激光器
17
按工作物质分类 固体激光器
工作物质：主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)Al2O3、
z=0时, 2θ=0,平面波
2 2 z 2 2 z→∞, 2
0
0
ω0
z1
θ
z2
z
0
02 z从 0到 的区域,称为准直区
3. z<0 R(z)=-R(z)
为汇聚球面波 其他同z>0情况
34
三、高斯光束的变换
普通球面波的传播规律
a)自由空间
R1 R( z1 ) z1 R2 R( z 2 ) z 2 R2 R1 ( z 2 z1 ) R1 L
单位: W/cm2.Sr
23
三、单色性
由于存在一些加宽因素的影响，使得激光光谱线并非无 限窄，而是表现出一定的能级宽度 激光单色性可以用频谱分布的宽度 (线宽)描述
v v2 v1
普通光源中，86Kr放电灯在低温下发出波长λ为650.7nm的 光，谱线宽度和波长比值7.76×10-7。
24
思考题：如何形成单模？ 一般单模稳频He-Ne激光器（λ=632.8nm），谱线宽度与 波长的比值可达10-11。 谐振腔的作用： （1）提供正反馈； （2）选择激光的方向性； （3）提高激光的单色性。
26
四、相干性
1.时间相干性
定义：同一光源发出的光波经过不同的路径到达同一位置，
尚能发生干涉，其经过的时间差τc称为相干时间 两列光波间允许的最大光程差称为相干长度
2
日光灯:
气体激光: 固体激光:
π
10-3~10-6 10-2
半导体激光: 5~10×10-2
21
例1：对于直径3mm腔镜的632.8nmHe-Ne激光器输出光束，
近衍射极限光束发散角为
1.22 / d 2 104 rad
例2：东芝公司生产的半导体激光器TOLD9211，输出功率
Lc ct c / 2 /
c Lc / c
c 1
27
例 : He-Ne laser 的线宽和波长（632.8nm）比值为10-7 ， 求
Michelson干涉仪的最大测量长度是多少？
解：
Lc 2 / 6.328m
最大测量长度为 Lmax=Lc/2=3.164m
等相位, 平面波 光强分布为高斯分布
束腰：振幅下降为中心的1/e时对应的光束截面半径，又
称光束的截面半径或者光斑半径
非特指束腰为高斯光束的最小束腰
2.z=z0>0的情况
x2 y2 x2 y2 A0 E ( x, y , z 0 ) exp 2 exp ik z i ( z ) 0 0 ( z0 ) ( z ) 2 R ( z ) 0 0
( z ) 0
z 1 2 0
2
2 2 0 R( z ) z 1 z
( z ) arctg
z 02
31
二、高斯光束的特性
1.z=0的情况 特点:
• •
2 E ( x, y,0) exp 2 0 0 A0
缺点：热稳定性差，放电管热变形引起两端反射镜的位置关
系发生变化，导致输出激光频率稳定性和方向稳定性较差
14
2、外腔式
特点：谐振腔与放电管完全分开；谐振腔反射镜上装有调整装置可以随
时进行调整，以保证反射镜的光轴与放电管轴线重合；放电管两 端按一定角度贴有布儒斯特窗片，既可以封闭放电管，又可以减 少光的损失，还可使激光器输出偏振度较好的线偏光。
2
空腔辐射体
二、原子能级及波尔兹曼分布
1.原子能级跃迁
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。
吸收跃迁： 低
辐射跃迁： 高
（自发辐射）
吸收能量
高 低
辐射能量
h E1 E2
普通光源（日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐 射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方 向、相位不一定相同——为非相干光。
激光测量技术
Laser Measurement Technology
1
第一章 激光原理与技术
§1.1 辐射理论概论
一、光量子学说及波粒二象性
光电效应与光量子学说
1900年普朗克提出辐射能量量子的概念 他在对黑体辐射实验进行理论解释的 时候发现，必须大胆的假设：黑体辐 射的能量是不连续的，存在一个最小 的能量单元，这就是量子。 1905年爱因斯坦指出光是由最小能量单元光子组成
12
五、结构形式
通用结构
泵浦源 全 反 镜 部分反部分透射镜
激光 增益介质 谐振腔
13
He-Ne激光器的三种结构：
主要结构：激光管+电源+光学元件
放电管
电极
光学谐振腔
1.内腔式
特点：谐振腔的两个反射镜固定在放电管外壳的两个端面上 优点：结构简单，使用时不需调整谐振腔，比较方便；放电
管和反射镜之间无光学元件，损耗小，输出功率高
D f 2 f / d
Βιβλιοθήκη Baidu
22
二、激光的高亮度
亮度:单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上的单
位立体角范围内辐射的能量。
E B s t
• • • • 太阳光的亮度约为1.03W/cm2· Sr 普通的1mW氦氖激光105W/cm2· Sr 大功率脉冲激光1014-1017W/cm2· Sr 飞秒激光可达1020W/cm2· Sr
钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钕)YAG。
激励方式：光激励(简称光泵) 特点：结构紧凑，输出功率大可达1000W以上, YAG最好，可连续运行多
模输出 应用：常用于机械加工、医疗、军事领域。
气体激光器
工作物质: 原子（He-Ne）、分子（ CO2）、离子（ Ar+）
激励方式：电激励(简称电泵)
特点: 种类多，波长分布区域宽，应用广，频率稳定性好，是很好的
3
2.玻尔兹曼分布
由大量粒子所组成的系统在热平衡状态下粒子 按能级的分布规律
Ni e
Nm e Nn

Ei kT
分别处在Em和En能级的粒子数目：
Em En kT
由 Em En
Nm Nn
结论
高能级的粒子数目少于低能级的粒子数目
4
三、光与物质的相互作用
1917年，爱因斯坦提出受激辐射新概念 ——奠定了激光发明的理论基础 爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射 场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受 激辐射。
19
化学激光器
工作物质：HF，DF 特点: 可将化学能直接转换为激光能，不需要外界泵浦源，典型波长范围
为近红外到中红外谱区，最有希望获得最大功率
应用: 适合于无电源的野外作业
其它激光器
X射线、薄膜、光纤、自由电子激光器等
20
§1.3 激光的基本物理性质
一、激光的方向性
通常用发散角来描述 常见光源发散角:
优点：谐振腔可以调整，能够长期保持激光器的稳定输出；可以在谐振
腔内插入光学元件，便于进行激光器性能研究。
缺点：谐振腔两反射镜易失调，并且调整也比较困难，使用不方便；
窗片与轴线夹角不准确，窗片光学质量不完善，引起反射、散射、 吸收等光学损耗，降低了输出功率。
15
3.半内腔式
特点：谐振腔的一块反射镜与放电管固定在一起，而另一块与放电管分开 优点：仅需调整外面的一块反射镜，比较容易调整，工作方便；能够同
32
a.相位部分
2 2 0 z0 R( z0 ) z0 1 z 0
为发散球面波, 曲率半径随z变化
b.振幅部分
z (z ) 0 1 0 2 0
2
33
c. 发散角
一般尺寸为100μm的矩形 汞弧灯光源，当针孔屏距 0.5m，横向相干长度为 0.25mm，激光器的横向相 干长度可达100mm以上
30
§1.4 高斯光束
一、高斯光束表达式
沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为
x2 y2 x2 y2 A0 E00 ( x, y, z ) exp 2 exp ik z i ( z ) 2 R( z ) ( z) ( z )
E2 E1
发光前
h
发光后
h h
h E2 E1
5
受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相 同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。 受激辐射光子与入射光子属同一光子态。
相干光
当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程
预示了利用受激辐射来放大（振荡）光的可能性！但 当时的技术和生产水平根本没有这种需要（无线电技 术刚刚开始，光学技术处于初级阶段）激光不可能超 越时代在当时被发明。
10
三、谐振腔的共振作用与激光的形成
作用
1.光往返,增加z的大小,利于光放大；
2. 腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选择 作用。
11
四、激光产生的基本条件及阈值条件
三要素: 1. 泵浦 2. 增益介质 3. 谐振腔 阀值条件: 光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大 于或者等于所遭受的各种损耗之和.