激光技术ppt课件

自发辐射跃迁示意图
• 3.光的受激吸收
当原子系统受到外来的能量为hv21的光子作用下，如果hv21 ＝ E2－ E1 ，则处于低能级E1上的原子由于吸收一个能量为hv21的 光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去的过程。
特点
➢原子的受激吸收几率与外 界辐射场的频率有关
入射光
受激吸收跃迁示意图
• 4.光的受激辐射
该领域的有关诺贝尔奖
1971: Dennis Gabor, 激光全息术
1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学
该领域的有关诺贝尔奖
1997: 朱棣文、科昂-塔努吉（Cloder Cohen Tanuky、菲利普 斯（Felipus，William） 激光冷却和陷俘原子
该领域的有关诺贝尔奖
• 2005：罗伊·格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献
➢光的受激辐射和自发辐射的区别：
原子受激辐射的光与外来的引起 受激辐射的光有相同的频率、位 相、偏振及传播方向。
普通灯光与激光的比较
• 5.粒子数反转状态
例：红宝石激光器的工作原理
• 激光器的组成结构
1. 工谐振腔的结构与作用
泵浦光
•工作物质
输出激 光
➢1954年，美国的汤斯(Charles H.Towns)、苏联的巴索夫(Nikolai G.Basov)和普 洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser), 抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原 子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。
•历 史 回 顾
➢20世纪50年代初， 电子学和微波技术的应用提出将 无线电技术从微波推向光波的要求。
➢从微波振荡器到光波振荡器 (激光器laser)。 ➢微波振荡器的实现原理：
一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔； 利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波 的放大和振荡。
➢1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世，中科院 长春光学精密机械研究所研制成功。1964年：钱学森 命名Laser为激光。
半导体激光器
二极管泵浦高功率蓝光激光器
液体激光器
常见的激光器及其激光波长
2.泵浦机制
• 光泵浦——红宝石激光器 • 电泵浦——半导体激光器 • 热能泵浦——气动CO2激光器 • 化学泵浦——氟化氢/氘（H/DF）激光器
3.激光器工作物质及其分类
固体激光器： 红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光 液体激光器：染料激光器 (可见光区宽范围可调谐) 气体激光器：He-Ne激光器，CO2激光器 半导体激光器：GaAs, AlGaAs , InGaAs（红外局部可调谐） 光纤激光器: 掺稀土光纤 自由电子激光器： 相对论电子 X射线激光器：类氦离子，类锂离子
光的受激辐射：当原子受 外来的能量为hv21的光子激 励下，从高能级E2跃迁到 低能级E1 ，原子发射一个 与外来光子一模一样的光 子的过程。
特点
入射光 h E2E1
入射光 受激辐射光
受激辐射跃迁示意图
➢受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。 ➢受激辐射而得到的光是相干光。
通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到相 干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。
∆E = E2-E1 = hv
原子吸收、释放能量的方法:
与其它原子相碰撞 电磁辐射的吸收与发射
• 2.光的自发辐射
在没有外界作用的情况下，原子从高能级E2向低能级 E1的跃迁方式有两种：无辐射跃迁和自发辐射跃迁。
特点
➢ 原子的自发辐射只与原子本身 的性质有关，与外界辐射场无关
➢ 自发辐射的随机性，自发辐 射光的相位、偏振态和传播方向 杂乱无章 ➢ 发出的光的单色性、定向性 很差，没有确定的偏振状态。
➢1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统－神光装 置，在中科院上海光学精密机械研究所研制成功。
➢神光I、神光II、神光III？
3种输出波长：1.053μm（ 6KJ/1ns ）、0.53μm、0.35μm
激光储能供电系统
神光Ⅱ装置
神光I主放大系统 神光Ⅱ主放大系统
该领域的有关诺贝尔奖
1964: Townes, Basov, Prokhorov ： 微波激射器和激 光器的发明
•全反射镜对激光100%反射
•部分反射镜有小部分激光透射
谐振腔的作用 :
• 放大——使某一频率的光多次往返传播, 激励处于反转状 态的工作物质, 造成连锁反应, 以实现光放大.
• 选向——将传播方向偏离光轴方向太多的光子淘汰掉, 使 得到的激光是一束 方向性很好的光.
• 选频——反射镜镀上多层膜, 使反射最强,形成稳定振荡并 不断加强, 得到单色性好的激光
•历 史 回 顾
• 爱因斯坦于1917年提出受 激辐射概念．
• 1958年，美国两位微波领 域的科学家发表论文《红 外与光学激射器》，开辟 了崭新的激光研究领域．
• 苏联科学家《实现三能级 粒子数反转和半导体激光 器建议》论文．
• 1960，美国科学家梅曼制 造第一台红宝石激光器．
Albert Einstein
内容提要
一、引 言 二、激光器的物理原理 三、激光技术的应用
一. 引 言
• 历史回顾 • 该领域的有关诺贝尔奖
•历 史 回 顾
激光发明的理论基础可以追溯到1917年，爱因斯 坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受 激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁 过程。
在能量相应于两个能级差的外来光子作用下，会 诱导处在高能态的原子向低能态跃迁，并同时辐射出 相同能量的光子。
约翰·霍尔、奥多尔·汉斯：基于激光的精密光谱学研究
二. 激光器的物理原理
• 基本概念 • 激光器组成结构 • 形成稳定激光振荡的条件 • 激光特性
• 基本概念
♣ 1. 能级 ♣ 2. 粒子数反转 ♣ 3. 吸收 ♣ 4. 自发辐射 ♣ 5. 受激辐射
• 1.原子的能级
• 基态 • 激发态
电子只能处于分立的能级，电磁辐射 与物质的相互作用将 导致物质中电 子能级的变化，当吸收或辐射能量时， 可在特定的能级间跃迁；该能量为这 两个能级的能量差，并该能量差唯一 地决定了电磁辐射的频率：