激光知识介绍【优制材料】

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1、 第二章第二章激激 光光 1行业材料 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射前言前言 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)第二章第二章 激激 光光2行业材料一一. 特点：特点：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10 -4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦） 空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都

2、是相干光源。 时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），埃）， 相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好亮度极高亮度极高3行业材料 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 三三 . 波长：波长：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）二二 . 种类：种类： 固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料）液体（如某些染料） 气体（如气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作物质分按

3、工作物质分4行业材料1 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布： 5行业材料 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;6行业材料但要产生激光必须使原子激发但要产生激光必须使原子激发;且且 N2 N1,称粒子数反转称粒子数反转(population inve

4、rsion)。 原子激发的几种基本方式：原子激发的几种基本方式： 1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)演示演示演示演示7行业材料 2 自发辐射自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收一一. 自发辐射自发辐射(spontaneous radiation) 设设 N1 、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。能级的原子数。 单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内， 从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：的原子数： E2E1N2N1h 8行业材料写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在

5、单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、 无关的无关的 非相干光非相干光 。9行业材料二受激辐射二受激辐射 (stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 （ 、）温度为温度为时时, 频率为频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。外来光的能量密度。10行业材料 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数11行业材料W21

6、 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21 = B21 （ 、T）12行业材料三三 . 吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数：13行业材料写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W1

7、2=12 ( 、T) W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。14行业材料A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 1年从理论上得出年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 = B1215行业材料3 粒子数反转粒子数反转一一. 为何要粒子数反转为何要粒子数反转 (popul

8、ation inversion)从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程。16行业材料必须必须 N2 N1（ 粒子数反转）。粒子数反转）。因因 B21=B12 W21=W12产生激光必须产生激光必须 17行业材料二粒子数反转举例二粒子数反转举例 例例. He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He -Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质，激活物质，He与与 Ne之比为之比为51 1011。18行业材料亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳

9、态19行业材料He-Ne激光管的工作原理：激光管的工作原理： 由于由于电子的碰撞电子的碰撞, ,He被激发被激发( (到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级) ) 的概率比的概率比 Ne 原子被激发的概率大；原子被激发的概率大； 在在He 的的2 23 3S，2 21 1S这两个能级都是亚稳态，这两个能级都是亚稳态， 很难回到基态；很难回到基态； 在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。 由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量几乎相等，当两种原子相碰时非常能量几乎相等，当两种原子相碰时非

10、常 容易产生能量的容易产生能量的“共振转移共振转移”；20行业材料（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的粒子数）还要设法减少下能级的粒子数） 正好正好Ne的的5 5S，4 4S是是亚稳态，下能级亚稳态，下能级 4 4P， 3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S，4 4S要短得多要短得多， 这样就可以形成粒子数的反转。这样就可以形成粒子数的反转。 在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，而回到基态， 而而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S；21行业材料 放电管做得比较细放电管做得比

11、较细（毛细管）（毛细管），可使原子，可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 3 S态态 的的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态，而回到基态，以及时减少以及时减少3 3S态的态的Ne原子数，原子数，有利于激光下能级有利于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。22行业材料 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线, , 图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条: : 06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态非基态之间发生的，之间

12、发生的，因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。23行业材料4 增益系数增益系数激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时，并存着来回传播时，并存着 增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要（包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。的激光输出）等。激光形成阶段：增益损耗激光形成阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗增益增益损耗损耗24行业材料 一激光在工作物质内传播时的净增益一激光在工作物质内传播时的净增益 设设0处，光强为处，光强为I0 I +dx I + d I 有有 d I

13、Idx 写成等式写成等式 d I = G I dx 定义：增益系数定义：增益系数 G (gain coefficient)25行业材料 即单位长度上光强增加的比例。即单位长度上光强增加的比例。一般一般G不是常数。不是常数。为简单起见，先近似地认为为简单起见，先近似地认为G是常数。是常数。26行业材料 二二 . 考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗 I0 激光从左反射镜出发时的光强。激光从左反射镜出发时的光强。 I1 经过工作物质后，经过工作物质后，被右反射镜反射被右反射镜反射 出发时的光强。出发时的光强。I0 输出输出全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜I1LI2 再经过工

14、作物质，再经过工作物质，并被左反射镜反射并被左反射镜反射 出发时的光强。出发时的光强。I2R1、R2 左、右两端反射镜的左、右两端反射镜的反射率反射率.27行业材料显然有显然有I 1 = R 2 I 0 eGLI 2 = R 1 I 1 eGL = R 1 R 2 I 0 e2GLI 2 = R 1 I 1 eGL 所以所以 在激光形成阶段在激光形成阶段即即 R1 R2 e2GL 1或或 须须 I2 / I0 128行业材料式中式中Gm称为称为阈值增益阈值增益， 即产生激光的最小增益。即产生激光的最小增益。 在激光稳定阶段在激光稳定阶段 即即 光强增大到一定程度后光强增大到一定程度后须须 I2

15、 / I0 = 129行业材料在激光的形成阶段在激光的形成阶段G Gm , 光放大，光放大，怎麽光强不会无限放大下去？怎麽光强不会无限放大下去？在激光的稳定阶段在激光的稳定阶段怎么又会怎么又会G = Gm ?原因是实际的增益系数原因是实际的增益系数G不是常量不是常量,当当 I 时，会时，会 G 。这是由于光强增大伴随着这是由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱。粒子数反转程度的减弱。（负反馈）（负反馈）不会。不会。30行业材料当光强增大到一定程度，当光强增大到一定程度，G下降到下降到m时，时，增益增益=损耗，激光就达到稳定了。损耗，激光就达到稳定了。通常称通常称 -为阈值条件。为阈值条件。 (

16、 threshold condition)31行业材料5光学谐振腔光学谐振腔 纵膜与横模纵膜与横模 (optical harmonic oscillator) (longitudinal mode and transverse mode)激光器有两个反射镜，激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。它们构成一个光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光32行业材料光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有

17、极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。阈值条件为阈值条件为对于可能有多种跃迁的情况，对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。可以利用阈值条件来选出一种跃迁。选频之一：选频之一：33行业材料 我们可以控制我们可以控制1、2的大小：的大小： 对对 0.6328 m 1、R2大大 Gm 小小(易满足阈值条件，使形成激光易满足阈值条件，使形成激光) ；对对 1.15 m 、3.39 m 1、2小小 Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。大（不满足阈值条件，形不成激光）。例如，若氦氖激光器例如，若氦氖激光器Ne原子的原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39

18、m 受激辐射受激辐射 光中光中, 只让波长只让波长0.6328 m的光输出，的光输出，34行业材料设氦氖激光器设氦氖激光器Ne原子的原子的06328 m受激辐射光受激辐射光的谱线宽度为的谱线宽度为 ,如图所示。如图所示。 0 1.3 109 Hz对于单一的跃迁，还可以利用对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频在谱线宽度内再选频。选频之二：选频之二：35行业材料 0 0由于由于为什么激光的谱线宽度会为什么激光的谱线宽度会小到小到 10-8？取绝对值取绝对值36行业材料由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，

19、所以有所以有光程光程 ( k=1、2、3、) k真空中的波长真空中的波长Lk=1k=2k=3n 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率37行业材料 可以存在的纵模频率为可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为 数量级估计：数量级估计： 1； n1.0； c108 m s38行业材料而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为谱线的宽度为 =13109 HZ因此，在因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为39行业材料利用加大纵模频率间隔利用加大纵模频率间隔 k的方法的方法,可以使可以使 区间中只存在一个纵模频率。区间中只存在一

20、个纵模频率。 比如缩短管长比如缩短管长到到 10 c， 即即 L/10则则 k10 k在在 区间中，可能存在的纵模个数为区间中，可能存在的纵模个数为 =1。40行业材料于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极大地提高了极大地提高了0.6328 m 谱线的单色性。谱线的单色性。激光除了有纵向驻波模式外，激光除了有纵向驻波模式外， 还有横向驻波模式。还有横向驻波模式。基模基模高阶横模高阶横模轴轴对对称称分分布布旋旋转转对对称称分分布布41行业材料小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件 . 激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发） . 粒子数反转（

21、有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级） .光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）基横模在激光光束的横截面上各点的基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。位相相同，空间相干性最好。42行业材料6 激光的特性及其应用激光的特性及其应用方向性极好的强光束方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。准直、测距、切削、武器等。相干性极好的光束相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。精密测厚、测角，全息摄影等。43行业材料 例激光光纤通讯例激光光纤通讯由于光波的频率由于光波的频率比电波的频率高比电波的频率高好几个数量级，好几个数

22、量级， 一根极细的光纤一根极细的光纤 能承载的信息量，能承载的信息量，相当于图片中这相当于图片中这麽粗的电缆所能麽粗的电缆所能承载的承载的信息量。信息量。44行业材料例例2 . 激光手术刀激光手术刀 （不需开胸，不住院）（不需开胸，不住院） 照明束照明束照亮视场照亮视场 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂动脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜附属通道附属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束 附属通道附属通道 （可注入气或液）（可注入气或液） 排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放

23、气）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通45行业材料例例3激光激光 原子力显微镜原子力显微镜(AFM) 用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制装置压电控制装置46行业材料 探针尖端在工作时处于受迫振动状态，探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针

24、的共振频率。其频率接近于探针的共振频率。 探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。因而振幅也随之改变。为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。47行业材料可检测出尺度小至可检测出尺度小至 5毫微米毫微米的表面起伏变化。的表面起伏变化。用于检查微电路成品，用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。检查制作微电路用的硅表面的质量。这两束光重新会合后发生干涉，这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。据此可探知试样据此可探知试样表面的原子起伏情况。表面的原子起伏情况。48行业材料第二章结束第二章结束例例5激光半导体二极管激光半导体二极管 ( 在固体部分学在固体部分学 )例例4激光单原子探测（略）激光单原子探测（略） 随着微电子电路技术的进展，硅基片随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。将被认为是不合格的。49行业材料