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1、光电子技术与应用第3章 激光原理与技术Date1光电子技术与应用第3章 激光原理与技术（激光制导）Date2光电子技术与应用第3章 激光原理与技术（激光制导）Date3光电子技术与应用第3章 激光原理与技术（激光制导）Date4光电子技术与应用3.1 相干光源、非相干光源与激光o光源器件主要是指电光变换器件。3.1.1 光源的分类o 相干光源：在时间、空间上相位同 步的光波形成。o 非相干光源：来源于原子或分子体 系的自发辐射。 Date5光电子技术与应用Date6光电子技术与应用照明光源气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（ 固体灯）。显示光源着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来
2、区 分，如液晶显示器、阴极射线管（CRT)、发光二极管（ LED）。信息处理光源着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发 光二极管、分光分度计光源。非相干光源包括：Date7光电子技术与应用激光气体激光器、固体激光器、染料激光器 、半导体激光器、等离子激光器。非线性光学器件主要是激光与非线性光学材料相互作用 而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡 器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、 受激拉曼散射。相干光源包括：Date8光电子技术与应用一般通称为激光的四性:单色性、相干性、方 向性和高亮度。实际上，这四性质上可归结为 一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是 说，激光可以在很大的相干积
3、内有很高的相干 光强。3.1.2 激光的特性Date9光电子技术与应用o1、方向性激光发散角小，可达mrad量级，接近于衍射极限。o2、单色性激光的谱线宽度很窄，单色性很好。o3、高亮度激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的 光谱辐亮度。 o4、相干性激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都 很好。例如，稳频的He-Ne激光器线宽可达v10kHz ，相干长度达Lc=c/v=30km。3.1.2 激光的特性Date10光电子技术与应用1. 光与物质相互作用的经典模型介质的极化强度为:用宏观物理量-极化率或介电常数来描述介质对光波 场的响应,则:3.2.1 光与物质相互作用的经典理论
4、分析3.2 激光产生与传播的基础Date11光电子技术与应用经典的电子理论是把原子内部电子运动看成称为简 谐振子。简谐振子模型认为，原子中的电子被与位 移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置：xo( 原子中的正电中心)附近振动(假设一维运动情况)， 当电子偏离平衡位置而具有位移x时，就受到一个恢 复力f=-kx的作用。假定没有其他力作用在电子上 则电子运动方程为:其中k是弹性系数,m为电子质量,是电子的固有频率.Date12光电子技术与应用电子在原子内部以固有频率做简谐振动,就会向外辐射 电磁波,辐射场又对电子产生反作用-与电子速度成 正 比的阻尼力.此时如果有光波入射,则光波电磁场又会 对
5、电子施加一个电磁力,于是方程变为:考虑入射光场为简谐电场的情况,则: 将其代入运动方程,可以求得解为:Date13光电子技术与应用由方程的解可见: 在简谐振子的模型下,电子受迫振 动的频率与驱动光波频率相同,但存在相位差,且这个 相位对介质中的所有原子都是一样的.(1)当 时,称为光和物质的非共振相互作用 过程.(2)当 时,称为光和物质的共振相互作用过 程.Date14光电子技术与应用3.2.2 光辐射的量子理论基础1.三种跃迁 (1) 受激吸收受激吸收概率：为爱因斯坦吸收系数Date15光电子技术与应用(2)自发辐射光子能量：自发跃迁概率：单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为：于是有：D
6、ate16光电子技术与应用(3) 受激辐射受激辐射的概率：称为爱因斯坦受激发射系数。Date17光电子技术与应用2. 爱因斯坦关系设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并为 , 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密 度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到能级的原子数为：单位时间内，的原子数数为： 由于系统处于热平衡状态，则应有：即：Date18光电子技术与应用热平衡状态下， 按波尔兹曼分布：即：所以有：2. 爱因斯坦关系Date19光电子技术与应用热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：比较两式有：上述两式即著名的爱因斯坦关系式。 若两能级的简并度相同
7、，则有：2. 爱因斯坦关系Date20光电子技术与应用三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言，自发发射系数 A 与 受激发射系数 B 之比正比于 的三次方， 因而 两能级相差越大， 就越高，A,B 的比值就越大，也就是 越高，自发辐射越 容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下， 主要是自发辐射。结论：Date21光电子技术与应用3. 光谱线展宽单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为：以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子 辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自 发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范 围内，这一现象称为。Date22光电子技术与应用
8、考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函 数，则总的自发辐射的功率为：光谱线的线性函数：满足归一化条件：于是：3. 光谱线展宽Date23光电子技术与应用由爱因斯坦系数可得：设外来光辐射能量密度也是一个与频率有关的参量，于是：考虑谱线展宽后，对于自发辐射：可见：对自发辐射没有影响，即自发辐射不受 影响。Date24光电子技术与应用对于受激辐射：可见受激跃迁粒子数改变与粒子体系的 及辐射场的 有关。Date25光电子技术与应用4.受激辐射下光谱线展宽的类型（1）均匀展宽均匀展宽的特点是：引起展宽的机制对于每 一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽 的贡献都是一样的，不可能把线性函数某
9、一特定频 率与某些特定粒子联系起来，每一个发光粒子都以 洛沦兹线型发射。（2）非均匀展宽非均匀展宽的特点是：粒子体系中粒子发光只 对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，这种 展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽，Date26光电子技术与应用均匀展宽包括：1）自然展宽由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在 受激能级上的寿命有限形成的。 由傅立叶变换得其频谱分布为：Date27光电子技术与应用1）自然展宽于是自发辐射得功率为：总功率为： 所以：当有：Date28光电子技术与应用1）自然展宽因此有：得：于是有也可写成：Date29光电子技术与应用2）碰撞展宽由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的，
10、包括两种情况：激化态的 粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者 是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为 均匀展宽的线型函数，表示为：线宽为：Date30光电子技术与应用3）热振动展宽由于晶格振动引起的，晶格原子的热震动 使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场 中，引起能级振动。这种展宽与温度有关， 但其线型函数解析式很难求，只能由实验测 出。Date31光电子技术与应用非均匀展宽包括：1）多普勒展宽由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射 的多普勒频移引起的。以一维运动为例：考虑气体分子热运动的速率统计分布：Date32光电
11、子技术与应用得：于是有：从而有称为多普勒的线型函数，具有高斯函数形式，相应的线宽为Date33光电子技术与应用当时（最大值）也可表示为：多普勒展宽实际上是一种统计结果。Date34光电子技术与应用2) 残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的，其中 一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引 起不同位置的粒子 不同，物质本身原子的 无规则排列也会引起。Date35光电子技术与应用3.2.3 光与物质相互作用经典结果的量子修正解释光放大、吸收系数等问题只能从辐射的量子化出 发。电磁辐射在物质传播时，每单位体积内的电磁场被 电偶极子吸收的功率为：由受激跃迁得：于是有Date36光电子技术与应用均
12、匀展宽时：而经典得表达式为：相比发现：经典理论中， 恒大于0，即热平衡条件下 光通过物质传播时总有一定程度的吸收，而量子修正 后取决于Date37光电子技术与应用3.2.4 光与物质体系相互作用的量子解释1.两种情况下光与粒子体系的相互作用1）单色辐射场与粒子体系相互作用单色辐射场的能量密度为：Date38光电子技术与应用上式表明由于谱线展宽， 和粒子体系产生相互作用的 单色光场的频率并不一定精确于 的中心频率 才 能产生受激辐射，而是在 附近的一定范围内。 2）连续辐射光场与粒子体系相互作用可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频 率的那部分辐射场才能引起粒子体系受激辐射，其他 部分被粒
13、子所散射。Date39光电子技术与应用2.受激发射与光放大激活介质的增益系数为：所以有又：所以有：Date40光电子技术与应用考虑谱线展宽，有结论：Date41光电子技术与应用习题o1、设一光子的波长为5*10-1微米，单色性试求光子的不确定量 。 若光子的波长为 5*10-4微米（x射线）和5*10-8微米（射线）， 则相应的 又是多少？o2、激光波长为0.6328微米，激光输出的上能级 粒子寿命为2*10-8s，激光下能级粒子寿命2*10-8p=266Pa,M=20,a=0.53MHz/Pa,计算 T=300K时，均匀加宽与非均匀加宽的比值。o3、光子的性质o4、光波模式和光子态 的等价性
14、Date42光电子技术与应用先进战术激光系统 20090613在2009年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验 Date43光电子技术与应用Date44光电子技术与应用3.3.1 激光产生的必要条件1. 粒子数反转光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激 发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般 受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发 态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物 质中受激发射占主导地位，这种状态即。3.3 激光产生的条件必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式 充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）Date45光电子技术与应用考虑一个二能级（ ）系统的粒子数的分布
15、情 况。设有一光束通过此系统，频率为：由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt 时间后有：单位体积因吸收减少：单位体积因发射增加：能量总的变化为：由爱因斯坦关系得：Date46光电子技术与应用由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：（1）粒子数正常分布满足：当物质处于热平衡时有由于于是粒子数分布总有工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高 能量的一个能级上的粒子数即。Date47光电子技术与应用（2）粒子数反转满足：光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。正常分布Date48光电子技术与应用在激活介质中，粒子数 是
16、反转分布的，粒子在能 级上的分布情况与波尔兹 曼分布情况相反，是“上 多下少”。而要达到粒子 数反转分布，需要一个机 构将低能级粒子抽到高能 级，这种机构称为泵浦源 。2. 减少振荡模式数基于方向性、单色性的 考虑。右图表示了谐振腔中光 的振荡，（R11，R21） Date49光电子技术与应用3.3.2 激光产生的充分条件1. 起振条件阈值条件由于R21，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活 介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光 波才能被放大，进而振荡，即有阈值。设激活介质的增益系数为 ，谐振腔长为L，则光束通过 单程L后，强度变化关系为：（为单程增益）谐振腔两面分别有反射率 ，透射率
