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1、激光原理 上课时间：18周，复习 1周 成绩计算：考勤（10分），作业（30分），考试（60分 ） 参考书：激光原理技术及应用 李相银等，哈工大出 版社 激光技术， 蓝信钜 等， 科学出版社 激光原理， 周炳琨 等，国防出版社 15937876143 qq: 422575911 Email: lxjzbj 课时及考试 形形色色的激光 激光的原理及技术基础 激光工作物质及基本原理 光学谐振腔 激光器工作原理 典型的激光器件 激光技术 教学内容 激光：Laser （light amplification by stimulated emission of radiation) 理论：量子理论 19
2、17 爱因斯坦（美） 诞生：红宝石激光器 1960年 梅曼 （美） 半导体激光器 1960 年 尼古拉 .巴索夫（苏） 条形码扫描器：1974 激光盘播放机:1978 CD播放机：1982 光纤：1988 欧美 第一章 激光的原理及技术基础 500万亿瓦，1000倍美国，400倍中国 2012年192束 三个足球场 10亿分之一秒，2mm 国家点火装置(NIF) 2013,4000万度 East托卡马克 2001建成 2011年升级 1013瓦 6kJ/ns 240mm口径 神光二号 信息传播，存储 加工系统： 激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统 军事科技： 激光光谱、激光雷达、激
3、光武器。 工业： 激光打标、激光打孔、激光裁床、激光切割、激光绣 花，激光热处理，激光快速成型。 激光的应用 医疗卫生： 激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗。 炫酷： 影像在空中投影，手表上就可以没有表面，中间 悬空显示时间， 日常生活： 激光灭蚊，也能分辨雌蚊子和雄蚊子之类 光子的基本性质 一：高方向性和空间相干性 探照灯：平面发散角 10 mrad W=L 激光器：平面发散角 10-4 mrad 激光器的平面发散角： ：波长 D：光束直径 1.1 激光的特点 例题: 激光器的波长=2 m, 其输出孔径为2m, 当其传 播到100km距离时，激光束的直径约为多少？激光平 面发散角为多少？（
4、1.22m） 相干光：频率、偏振方向相同，位相差恒定 同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同 状态的光子或不同模式的光波是不相干的 空间相干性：横向相干性 相干长度： 相干截面： 在光束整个截面内的任意两点间具有完全确定的相位 关系的光场振动是完全相干的。 1.1 激光的特点 1.1 激光的特点 二、单色性和时间相干性 计算：1 为使氦氖激光器的相干长度达到1km， 它的单色性应该是多少？(波长632.8nm) 2 普通光源氪灯发出的波长605.7nm，低温下其 谱线半宽度0.4710-6m, 求其相干长度。 相干光源：高的相干光强、大相干面积、长相干时 间 激光：高单色性、高定向性。
5、单色亮度： 太阳光：2.610-12W/(cm2.Sr.Hz) 气体激光器： 10-2102 W/(cm2.Sr.Hz) 固体激光器： 10103 W/(cm2.Sr.Hz) 调Q大功率激光器：104107 W/(cm2.Sr.Hz) 1.1 激光的特点 三、高亮度和光子简并度 1.1 激光的特点 三、高亮度和光子简并度 作业：p21 T3,4 T3: 谱线宽度，半宽度？ 0.6310-9，是科学计数法？ T4 频率61014 Hz单位？ 简并度的计算出现数量级错误？ 有效数字问题8.18210-3还是8.1810-3的问题 原子的内能：电子动能+位能 能级：分离的能级 E2, E1 自发辐射
6、 受激吸收 受激辐射 1.2 激光的产生 一 原子能级 E1：基态能级 E2: 激光输出能级（亚稳态） E3: 抽运激光上能级 量子数反转：E2和E1 红宝石激光器 半数以上的粒子抽运 1.2 激光的产生 一 、三能级系统 E4: 抽运能级 E3: 激光输出能级 E2: 激光最终能级 E1: 基态 1.2 激光的产生 三 、四能级系统 上能级E2： g2能态，粒子数密度:n2 下能级E1：g1能态,粒子数密度:n1 热平衡：E2E1, T0 有： 粒子数反转： 1.2 激光的产生 四、粒子数反转条件 激光工作物质： 粒子数反转，产生激光 固体、液体、气体、自由电子 泵浦源： 光能、电能、化学能
7、、原子能 光学谐振腔: 全反射镜，部分透射镜 1.3 激光器的基本组成 一、基本结构 凹面反射镜： 凸面反射镜： 平面反射镜： 其中R: 曲率半径，f:焦距 S: 物距，S: 相距 1.3 激光器的基本组成 一、基本结构 几种谐振腔： 半共焦腔 非共焦平凹腔 1.3 激光器的基本组成 一、基本结构 波长：X射线到毫米波波段 功率密度：1019 W/cm2 脉冲：610-15 s 1 固体激光器：广泛 ；红宝石、掺钕钇铝石榴石、 钕玻璃激光器、钛宝石； 2.气体激光器：He-Ne, He-Gd, Ar+, N2, CO2, 准分子激 光器大功率 3.半导体激光器：小，长寿，价低 1.3 激光器的
8、基本组成 二、激光器种类 4 染料激光器：连续调谐 5.化学激光器：波长范围大，定向能武器，HF 2.7um ， 3MW 6.自由电子激光器 1.3 激光器的基本组成 二、激光器种类 光线在谐振腔内的行为 稳定腔：能保证光在腔内来回反射始终不离开谐振 腔的腔。 双凸腔： 为非稳腔 1.4 光线在谐振腔内的行为和腔的稳 定条件 共焦腔条件：R1=R2=R L=R f1=f2=f=R/2 光线在共焦腔内的行为 凹面镜组成的非稳谐振腔 稳定腔 腔长L， 曲率半径R1, R2, 记 J1=1-L/R1, J2=1-L/R2 稳定腔条件： （1）平凹腔： R2L (2) 双凹腔：R1L, R2L, 或R
9、1L, R1+R2R1-L 稳定条件 非稳腔：J1J21 或 J1J20，傍轴光线有限溢出腔外 （1）双凸腔 （2）平凸腔 （3）平凹腔 0RL, (4) 双凹腔： R1L, 即J1J20或 R1+R21 （5）凹凸腔: R20, 0R1L, 即J1J21。R1，R2分别为凹、凸面镜的曲率 半径 非稳腔 J1J2=0或J1J2=1的腔。 （1）对称共焦腔： R1=R2=L, 即J1=0, J2=0； （2）平行平面腔：J1=J2=1 （3）共心腔：L=R1+R2, J1J2=1 临界腔介于稳定腔和非稳腔之间。 临界腔 振荡模式：振荡频率和场强的空间分布。 电磁场空间分布：沿传播方向（腔轴方向）
10、的E（z), 垂直于传播方向：E(x,y)。 在腔内可能存在的稳定光场的本征态。 1.5 激光振荡模式 纵模，沿腔轴线方向电磁场的本征态，纵向光场分 布. 纵模数多，单色性差。 横模，在腔中垂直腔轴方向的电磁场的 本征态，横向光场分布 光腔模式 谐振条件：形成激光 a, b, c 相位差2的整数倍 设腔长L, 折射率，则： 由谐振条件： 谐振频率： 谐振频率间隔差： 激光的纵模 腔长30cm的He-Ne激光器 线宽1.5109Hz， 频率间隔： L=10cm的He-Ne激光器 Ne原子发射波长0.6328um的荧光线宽1.5109Hz。 单纵模激光器 多纵模激光器：L=30cm时，线宽5108
11、Hz，出现三个 纵模 影响纵模数的因素：荧光线宽，谐振频率间隔 线宽越大，纵模数越多； 谐振腔的频率间隔越小(L越大）， 纵模数越多 CO2, 10.6um 光谱线宽度：108Hz，腔长1m，频率间 隔：=c/2L=1.5108Hz，单纵模 氩离子激光器0.5145um， 光谱线宽度6.0108Hz， 腔 长1m时纵模间隔：1.5108Hz，多模 Nd3+-YAG 1.06um的光谱线宽度1.951011Hz，多模 横向强度分布 TEMmnq， mn， 横模指数，m,n越大，图形越复杂，偏离光传 播轴线越远 基横模光强高斯形，光场分布均匀。高阶横模分布 不均匀，发散角大。 q 纵模指数, q越
12、大，纵模数越多 激光的横模 减少激光模式数，改善方向性，提高单色性； 激光选模 由 0J1J21 作图： J1=1-L/R1, J2=1-L/R2， 一个光学谐振腔（R1,R2,L)对应一个点 如平凹腔：LR2时，光子数增加 平行平面腔反射率r1、r2, 不完全反射 损耗系数r： 则： 谐振腔内损耗内， 则总损耗因子为： 光强随距离z变化： 阈值条件： 激光振荡阈值条件 谐振腔品质因子Q: 知： 则： 由 得： 谐振腔的品质因子与光谱线宽度 自然加宽： Q值越高，线宽越窄，单色性越好 稳定的激光增益等于损耗， Q值无穷大； 自发辐射的影响 纵模频率： 频率漂移：折射率和温度 He-Ne激光器，
13、 百分之一， 106Hz， 单模激光的线宽极限 2.1 黑体辐射与普朗克公式 绝对黑体：完全吸收投射于它的任何频率的电磁辐 射的物体。 热辐射（温度辐射）：从任一物体发出 的电磁辐射。 黑体辐射：黑体内部辐射的能量等于 吸收能量时，黑体内部存在的辐射场。 第二章 激光工作物质及基本原理 黑体辐射是黑体温度T和辐射频率的函数 单色能量密度：单位体积内频率处于附近的单位频 率间隔中的电磁辐射能量。单位：J.m-3.s 与腔体的材料和结构无关。 普朗克： 光量子：0=h 黑体辐射 模式：振子的振动状态。 温度T的热平衡条件下，黑体辐射分配到每个模式上的平 均能量： 单位体积、频率在d间隔的光波模式数
14、： 黑体辐射普朗克公式： 玻尔兹曼常数k=1.3806210-23 J/oC 普朗克公式 黑体辐射是辐射场和物质原子相互作用的结果。 自发辐射、受激辐射、受激吸收 自发辐射 光和物质的三种相互作用 自发辐射几率A21：单位时间内n2个高能态上的原子 发生自发跃迁的原子数（dn21/dt)与n2的比值 (dn21)sp为自发辐射引起的由E2向E1跃迁的原子数 单位时间内E2能级上减少的粒子数密度： 则有： 自发辐射 由能级平均寿命： 得： 比较： 得： A21： 自发辐射跃迁爱因斯坦系数 s ： 自发辐射寿命 受激吸收跃迁：处于低能级E1的一个原子，在频率 为的辐射场作用下，吸收一个能量为h的光子并向 E2能级跃迁。 受激辐射跃迁几率W12： A21只与原子
