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1、 第二讲激光原理与选模 段作梁 电子工程学院光电子技术系 主要内容 一 激光历史回顾二 激光原理简述三 谐振腔的结构与作用四 激光模式的选择 激光技术 计算机技术 原子能技术 生物技术 并列为二十世纪最重要的四大发现 是人类探索自然和改造自然的强有力工具 与电子电力技术 自动化测控技术的完美结合 使激光技术能够更好的为人类创造美好生活 一 激光的历史回顾 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 的缩写 1960年 美国物理学家梅曼 Maiman 在实验室中做成了第一台红宝石 Al2O3 Cr 激光器 我国于1961年研制出第一台激光器
2、 从此以后 激光技术得到了迅速发展 引起了科学技术领域的巨大变化 光是 波长较短的 电磁波 激光 LASER 一词是受激辐射光放大 50多年来 激光技术与应用发展迅猛 已与多个学科相结合形成多个应用技术领域 比如光电技术 激光医疗与光子生物学 激光加工技术 激光检测与计量技术 激光全息技术 激光光谱分析技术 非线性光学 超快激光学 激光化学 量子光学 激光雷达 激光制导 激光分离同位素 激光可控核聚变 激光武器等等 这些交叉技术与新的学科的出现 大大地推动了传统产业和新兴产业的发展 该领域的有关诺贝尔奖 1964 Townes Basov 微波激射器和激光器的发明1971 DennisGabo
3、r 激光全息术1981 洛 布隆姆贝根 激光光谱学1997 朱隶文等三人 激光冷却和陷俘原子说明 朱隶文系美籍华人 1948年生于密苏里州 其父台湾中央研究院院士2005 罗伊 格劳伯 对光学相干的量子理论的贡献约翰 霍尔 奥多尔 汉斯 基于激光的精密光谱学研究 授予在光学领域的理论和应用方面做出贡献的两名美国人和一名德国人 他们是 哈佛大学罗伊 格劳伯 下图左 科罗拉多大学约翰 霍尔和德国路德维希 马克西米利安大学特奥多尔 汉斯 下图右 格劳伯是因为 对光学相干的量子理论的贡献 而获奖 他的研究不仅为新兴的量子光学研究奠定了基础 他和其他科学家在这一领域的研究成果 也有望在未来用于开发更加安
4、全的通信加密技术 霍尔和汉斯获奖是因为对基于激光的精密光谱学发展做出了贡献 使 光梳 等技术的测量精度有望进一步提高 并将在很多领域找到用武之地 这些技术有望改进现有的全球定位系统 提高太空望远镜的观测精度 另外 类似的超高精度测量技术 也可能应用于研究物质和反物质的关系 以及用于检测某些自然界常数可能产生的变化 2005年诺贝尔物理学奖 二 激光原理简述按量子力学原理 原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中 原子能量的任何变化 吸收或辐射 都只能在某两个定态之间进行 我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁 光子与物质原子相互作用过程中 存在三种类型的跃迁 即 吸收 自发辐射和受激辐射
5、 如图1 1所示 有一个原子开始时处于基态E1 若不存在任何外来影响 它将保持状态不变 如果有一个外来光子 能量为hv 与该原子发生相互作用 且 其中 E2为原子的某一较高的能量状态 激发态 则原子就有可能吸收这一光子 而被激发到高能态去 这一过程被称之为原子吸收 值得注意的是 只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时 光子才能被吸收 原子吸收 与经典力学中的观点类似 处于高能态的原子是不稳定的 它们在激发态停留的时间非常短 数量级约为10 8s 之后 会自发地返回基态去 同时放出一个光子 这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程 叫做自发辐射 原子在激发态的平均停留时间称
6、之为激发态的寿命 自发辐射 自发辐射的特点 这种过程与外界作用无关 各原子的辐射都是独立地进行 因而所发光子的频率 初相 偏振态 传播方向等都不同 不同光波列是不相干的 例如霓虹灯管内充有低压惰性气体 在管两端加上高电压来激发气体原子 当它们从激发态跃迁返回基态时 便放出五颜六色的光彩 其频率成分极为复杂 发光方向各向都有 初位相也各不相同 这正是普通光源的自发辐射 受激辐射处于激发态的原子 在其发生自发辐射前 若受到某一外来光子的作用 而且外来光子的能量恰好满足 原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1 同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子 如图1 3所示 这一过程被称为受激辐射 这
7、种过程是在外界光子的刺激作用下发生的 而且受激辐射出的光子 与入射光子具有相同的频率 相同的初相 相同的传播方向 相同的偏振态等 即与外来光子具有完全相同的状态 在受激辐射过程中 输入一个光子 可以得到两个状态完全相同光子的输出 并且这两个光子可再作用于其他原子上 产生受激辐射 而获得大量特征完全相同的光子 这便是受激辐射的光放大 图1 4就是受激辐射光放大的示意图 受激辐射的特点 1 选择具有适当能级结构的工作物质 在工作物质中能形成粒子数反转 为受激辐射的发生创造条件 2 选择一个适当结构的光学谐振腔 对所产生受激辐射光束的方向 频率等加以选择 从而产生单向性 单色性 强度等极高的激光束
8、3 外部的工作环境必须满足一定的阈值条件 以促成激光的产生 这些阈值条件大体包括 减少损耗 加快抽运速度 促进 粒子数 反转等 像工作物质的混合比 气压 激发条件 激发电压等等 产生激光的必要条件 1 单向性极好 普通光源向四面八方发射能量 其能量分布在全空间4 立体角内 而激光则是沿一条直线传播 能量集中在其传播方向上 其发散角很小 一般为10 5 10 8球面度 若将激光束射向几千米以外 光束直径仅扩展为几个厘米 而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米 激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的 激光这种良好的单向性可用于定位 测距 导航等 激光的特性 2 单色性极强 从普
9、通光源 如钠灯 汞灯 氪灯等 得到的单色光的谱线宽度约为10 2纳米 单色性最好的氪灯 86Kr 的谱线宽度为4 7 10 3纳米 而氦氖激光器发射的632 8纳米激光的谱线宽度只有10 9纳米 若从多模激光束中提取单模激光 再采取稳频技术措施 还可以进一步提高激光的单色性 利用激光良好的单色特性 可以作为计量工作的基准光源 例如 用单色 稳频激光器作为光频计时基准 它在一年内的计时误差不超过1微秒 大大超过原子钟的计时精度 图1 5普通光源荧光光谱 谱线宽度约为 150nm 3 高亮度 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度相当低 例如 太阳表面的亮
10、度比蜡烛大30万倍 比白炽灯大几百倍 而一台普通的激光器的输出亮度 比太阳表面的亮度大10亿倍 激光器的输出功率并不一定很高 但由于光束很细 光脉冲窄 光功率密度却非常大 图1 6理想锁模可获得窄脉冲激光 由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中 因此 能在直径极小的区域内 10 3毫米 产生几百万度的高温 从一个功率为1kw的CO2激光器发出的激光束经过聚焦以后 在几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧穿 工业上利用激光高亮度的特性 在金属钻孔 焊接 切割 表面热处理 表面氧化等方面的应用近年来有很大的发展 4 相干性好 普通光源 如钠灯 汞灯等 其相干长度只有几个厘米 而激光的相干长度则可以达
11、到几十公里 比普通光源大几个数量级 因此也可以说激光具有非常好的相干性 用激光做光源进行光的干涉 衍射实验 可以得到非常好的效果 另外 激光问世以来 推动了全息光学技术 激光光谱技术的发展 由于激光具有上述这些良好的特性 从而突破了传统光源的种种局限性 引起了现代光学应用技术的革命性发展 同时促进了包括化学 生物学 医学 工业加工与检测技术 军事等科学的迅速发展 激光器的组成 工作物质 实现粒子数反转分布的条件 激励源 泵浦或抽运 用来实现和维持粒子数反转 有电激励 光激励 热激励 化学激励等 激励 从外界吸收能量 使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程 又称 激发
12、 抽运 或 泵浦 1 光泵抽运 如红宝石激光器 粒子数反转状态 2 电子碰撞 如氩离子激光器 电子 3 化学反应 如氟化氘激光器等 4 共振转移 如He Ne激光器 Ne He Ne He 三 谐振腔的结构与作用 光腔的作用 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 膜厚度 4 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 谐振腔的选择 衍射损耗模体积腔体镜面的安装 典型的激光器谐振腔 谐振腔的种类 平行平面腔同心球面腔共焦谐振腔长半
13、径球面腔半球型谐振腔平凹稳定腔非稳定腔 平行平面腔结构示意图 平行平面腔的优势 模体积大 腔内激光辐射没有聚焦现象 平行平面腔的劣势 镜面调整难度高 衍射损耗高 平行平面腔主要应用于高功率脉冲激光器 平行平面腔 同心球面腔结构示意图 同心球面腔主要应用于连续工作的染料激光器泵浦激光器 同心球面腔的优势 衍射损耗低 易于安装调整 同心球面腔的劣势 模体积小 腔内产生光辐射聚焦现象 同心球面腔 共焦谐振腔示意图 共焦谐振腔一般应用于连续工作的激光器 共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间 其特点如下 1 镜面较易安装 调整 2 较低的衍射损耗 3 腔内没有过高的辐射聚焦现象 4 模体积适度 共
14、焦谐振腔 长半径球面腔示意图 长半径球面谐振腔适于连续工作的激光器 长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间 它的特点如下 1 中等的衍射损耗 2 较易安装调整 3 模体积很大 4 腔内没有很高的光辐射聚焦现象 长半径球面腔 半球型谐振腔 半球型谐振腔主要应用于低功率氦氖激光器 半球型谐振腔的特点 易于安装调整 衍射损耗低 成本低 半球型谐振腔 平凹稳定腔示意图 平凹稳定腔一般应用与连续激光器 大多数情况下 R1 2L 平凹稳定腔的特点 模体积较大且具有价格优势 平凹稳定腔 连续高功率二氧化碳激光器的非稳定谐振腔 非稳定腔 光腔的损耗 选择性损耗 与横模有关 非选择性损耗 与光波模式无关
15、损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标 在激光振荡中 光腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量 也是腔模理论的重要研究课题 光学谐振腔的损耗 1 几何损耗 光线在腔内往返传播时 可能从腔的侧面偏折出去而引起损耗 决定其大小的因素 腔的类型和几何尺寸 2 衍射损耗 腔镜边缘 插入光学元件的边缘 孔径及光阑的衍射效应产生的损耗 决定其大小的因素 腔的菲涅耳数有关 腔的几何参数有关 横模的阶数有关 模的阶次越高 衍射损耗越大 基模的衍射损耗最小 例子 YAG激光器的腔体结构图 氦氖气体激光器是四能级系统 共振转移 四 激光模式的选择 振荡模式是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式 用TEMmnq
16、表示 m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数 称横模数 q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数 称纵模数 1 纵模能引起振荡的频率关系2 横模光场在横向不同的稳定分布 横模 纵模 谐振腔内工作物质折射率n 腔长l驻波条件 纵模大小 纵模间隔 小结 形成稳定激光振荡的条件 激光工作物质 有提供放大作用的增益介质作激光工作物质 粒子数反转 外界激励源作用使上下能级之间产生集居数反转 形成激光的内部条件 激光谐振腔 使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡 形成激光的外部条件 光波模式的描述 驻波条件 激光的四个基本特点 单色性好 方向性好 相干性好 亮度高 辐射跃迁 光和物质相互作用 包括的三种基本过程 自发辐射 受激辐射和受激吸收 三个爱因斯坦系数及其相互关系 自发辐射和受激辐射的特点 自发辐射和受激辐射强度的比较 单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度 实现受激光放大的条件 激光器的基本结构 各有何作用 激光的横模与纵模 激光空间与时间相干性的
