第一讲激光原理

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E2 E，1但/自h 发辐射谱线并不是一条理想的
无限窄线，而是有一定的宽度，这种现象称为谱线加宽。它使自
发辐射功率不是集中在一个光波频率上，而是分布在一个频带之
内。
1.自发辐射总功率
P p f df
2.归一化线型函数
g f ,f0 p f / p
g f ,f0 df 1
光谱线的线型函数及等效线型函数
原子能级系统：反映能级的粒子数变化以及 光放大
1. 三能级系统速率方程组(以红宝石激光器为例)
E3
S32
W13 A31 S31 A21 S21 W21 W12
E2
E1
dn3 dt
n1W13
n3(S32
A31
S31)
dn2 dt
n1W12
n3S32
n2W21 n2 ( A21 S21)
n1 n2 n3 n
一、激光的产生和性质
1、激光产生理论及基本概念 爱因斯坦受激辐射理论：
1917年《按照量子论辐射的发射和吸收》， 《关于辐射的量子理论》
强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的 存在和光放大的可能性。
原子受激辐射示意图
入射光
受激辐射光
激光产生原理
吸收
自发辐射
受激辐射
自发吸收：电子通过吸收光子从低能态跃迁到高能态 (图 a)。
自发辐射：电子自发地通过释放光子从高能态跃迁到较低能 态 (图 b)。
受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能态跃迁到低能态， 并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和位相， 此波长对应于两个能态的能量差。 (图 c)。
光谱线型函数与谱线加宽机制
A.光谱线型函数g（f，f0）
f
自发辐射频率为
g( ) g'( )
g'( )
g( )
0
F
B.光谱线的加宽机制
均匀：自然加宽、碰撞加宽（洛伦兹线型） 1
非均匀：多普勒加宽（高斯线型） 1.自然加宽:
fN 2
A21
2
粒子在工作能级上的寿命越短，自然加宽也越严重。
2.碰撞加宽：粒子做无规则热运动，粒子间发生了碰撞。
f f N fC f的作用更大
与激光有关的诺贝尔奖
1907年诺贝尔物理学奖 —— 光学精密计量和光谱学研究 1918年诺贝尔物理学奖 —— 能量级的发现 1922年诺贝尔物理学奖 —— 原子结构和原子光谱 1923年诺贝尔物理学奖 —— 基本电荷和光电效应实验 1929年诺贝尔物理学奖 —— 电子的波动性 1961年诺贝尔物理学奖 —— 核子结构和穆斯堡尔效应 1963年诺贝尔物理学奖 —— 原子核理论和对称性原理
n3S32
(n2
g2 g1
n1) 21( )vNl
n2 ( A21
S 21 )
dn0
dt
n1S10
n0W03
n3 A30
nd0 Nl dt
n1 n2 (n2
n3 g2 g1
n
n1 )
21 (
)v Nl
Nl
Rl
2、激光的特性
高方向性 高亮度
高相干性 单色性
激光的高方向性
现代激光技术
参考书: 《固体激光工程》（solid-state laser engineering） W. 克希耐尔著 《超快激光》 张志刚
第一讲 激光技术基础及其前沿
1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。 激光的英文名称是 Laser（Light
Amplification by Stimulated Emission of
吸收截面
1.吸收截面 原子对入射光功率的吸收作用可以用吸收截面来
描述。如图所示，原子的吸收截面为12，
12
I I z
1
n
I
I I
A
入射光功率P z
吸收系数
1) 吸收截面和工作物质吸收系数的关系
工作物质对频率为的单色光的吸 收 系 数定义为:
dI dz
1 I
光通过一个面积为A, 厚度为z的工作物质后, 光 功率的减少值为:
光束发散角=2 α r α s
探照灯：35毫弧度≈1度 HeNe 激 光：0.3 毫弧度
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激光的高强度和高亮度
一台普通的红宝石激光器发出激光亮度， 比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）
强激光甚至可产生上亿度的高温。
激光打孔、切割等机械加工
相干性强
时间相干性 同一光源不同时间发出的光波的相干性, 纵向相干性
以上的是激光技术的理论基础
1964年诺贝尔物理学奖 —— 微波激射器和激光器的发明 1971年诺贝尔物理学奖 —— 激光全息术的发明 1981年诺贝尔物理学奖 —— 激光光谱学与电子能谱学 1997年诺贝尔物理学奖 —— 激光冷却和陷俘原子 2005年诺贝尔物理学奖 ——光频率梳 2009年诺贝尔物理学奖 ——光纤通讯
振荡速率方程组
) 2. 四能级系统速率方程组(Nd:YAG,He-Ne激光器
E3
S32
W03 S30 A30 S21 A21 W21 W12
E2
E1
S10
E0
四能级系统的激光工作物质的能级简图
四能级系统的速率方程组
dn3
dt
n0W03
n3 (S32
A30 )
dn2 dt
n1W12 n3S32 n2W21 n2 ( A21 S21)
Radiation），它包含了激光产生的由来。 它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一 鸣惊人”。
二十世纪四大发明：半导体；原子能；计 算机；激光
梅曼发表在《nature》原文
重要的历史进程
1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论
1958年 肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微 波激射器》
1960年 梅曼制成了世界上第一台激光器—— 红宝石激光器
P I A I z A...........(1)
吸收截面和吸收系数关系
12
n1
12的量纲是［米2］
测量方法：
吸收系数
I1 I2 I1z
吸收截面 12
n
2.发射截面
I Ioe Gz 光放大关系
G
dI 1 dz I 小信号增益
G 21 N 发射截面
I
I I
A
入射光功率 Io
Δτ = L/c; L=λ2/Δλ;
空间相干性 同一光源不同空间点发出的光波的相干性， 横向相干性
二、激光器 激光器的发明 激光器的结构 激光器的种类
1、激光器的发明
1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为 1.25厘米的氨分子振荡器——受激辐射微波放 大器 （Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）