光学课程教学电子教案 第八章 激光基础(47P)

《光学课程教学电子教案 第八章 激光基础(47P)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学课程教学电子教案 第八章 激光基础(47P)（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第第8章章激光基础激光基础 光学光学 教案教案8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器 8 激光基础激光基础 主要内容主要内容8 激光基础激光基础8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射1. 原子数能级及粒子数布居原子数能级及粒子数布居2. 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收3. 爱因斯坦公式爱因斯坦公式4. 粒子数布居反转与光放大粒子数布居反转与光放大5. 能级寿命能级寿命 主要内容主要内容8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础玻尔的量子化原子体系模型：玻尔的量子化原子体系模型：(8.1-1)

2、 吸收或辐射的光子能量与能级差的关系：吸收或辐射的光子能量与能级差的关系： 光吸收与光辐射过程：光吸收与光辐射过程：能级跃迁过程能级跃迁过程 8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8.1.1 原子能级及粒子数布居原子能级及粒子数布居8 激光基础激光基础原原子子的的能能量量状状态态取取一一系系列列分分立立值值。每每一一个个能能量量状状态态称称为为原原子子的的一一个个能能级级，其其中中最最低低的的能能级级称称为为基基态态，高高于于基基态态的的能能级级称称为为激激发发态态。在在热热平平衡衡状状态态下，各能级上的粒子数布居服从一定的统计规律。下，各能级上的粒子数布居服从一定的统计规律。(8.1-

3、3) 当当E2E1时时，N2N1。表表明明在在热热平平衡衡状状态态下下高高能能级级上上的的粒粒子子数数布布居居总总是是小于低能级，且两者的比例取决于体系的温度。小于低能级，且两者的比例取决于体系的温度。一般地，一般地，在热平衡状态下，几乎所有的原子都处于最低能态在热平衡状态下，几乎所有的原子都处于最低能态基态基态。 8.1.1 原子数能级及粒子数布居原子数能级及粒子数布居8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础(8.1-2) 两个能级两个能级E1与与E2上的粒子数布居之比：上的粒子数布居之比： 在热平衡状态下在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居气体原子体系的粒子数布居

4、满足满足玻耳兹曼分布律玻耳兹曼分布律：T：热平衡温度；热平衡温度； Nn：能级能级En上的粒子数布居；上的粒子数布居； k：玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。(1) 自发辐射自发辐射 处处于于高高能能级级上上的的原原子子，总总是是会会自自发发地地跃跃迁迁到到低低能能级级上上，伴伴随随辐辐射射出出一一个频率为个频率为n n 的光子，称为光的的光子，称为光的自发辐射自发辐射。(8.1-5) (8.1-4) hn nE2E1图图8.1-1 原子的自发辐射跃迁原子的自发辐射跃迁8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激

5、吸收8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础说说明明：自自发发辐辐射射是是个个随随机机过过程程，处处于于高高能能级级的的各各个个原原子子随随时时地地、独独立立地地向向低低能能级级自自发发跃跃迁迁，所所发发射射的的光光子子形形成成一一个个个个相相位位、偏偏振振态态和和传传播播方方向均彼此无关的波列，因而向均彼此无关的波列，因而是非相干的是非相干的。 自发辐射自发辐射光子的能量和频率分别满足：光子的能量和频率分别满足： 处处于于低低能能级级上上的的原原子子，受受到到频频率率为为n n 的的入入射射光光照照射射时时，有有可可能能吸吸收收一一个个光子的能量而跃迁到相应的高能级上

6、，称为光的光子的能量而跃迁到相应的高能级上，称为光的受激吸收受激吸收，且有，且有 (8.1-6) hn nE2E1图图8.1-2 原子的受激吸收原子的受激吸收8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础(2) 受激吸收受激吸收处处于于E2能能级级上上的的原原子子，在在受受到到频频率率n n 正正好好满满足足hn n=E2- -E1的的入入射射光光子子的的作作用用时时，有有可可能能自自所所处处E2能能级级跃跃迁迁到到E1能能级级，并并辐辐射一个同频率的光子。射一个同频率的光子。 图图8.1-3 原子的受激辐射

7、原子的受激辐射hn nE2E1hn n说说明明： 与与自自发发辐辐射射不不同同，受受激激辐辐射射光光子子与与入入射射光光子子具具有有相相同同的的模模式式，即即 同频率、同相位、同偏振态，因而是相干的。同频率、同相位、同偏振态，因而是相干的。 受激辐射与受激吸收互为逆过程，两者同时发生，同时存在。受激辐射与受激吸收互为逆过程，两者同时发生，同时存在。 8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础(3) 受激辐射受激辐射自自发发辐辐射射过过程程：原原子子体体系系单单位位时时间间内内从从能能级级E2跃跃迁迁到到能

8、能级级E1的的粒粒子子总总数数只只与与E2上的粒子数布居上的粒子数布居N2成正比，与辐射场无关，即成正比，与辐射场无关，即 (8.1-7) 受受激激辐辐射射过过程程：原原子子体体系系单单位位时时间间内内从从始始态态到到终终态态跃跃迁迁的的粒粒子子数数，除除了了与与始始态态上上的的粒粒子子数数布布居居有有关关外外，还还与与能能量量等等于于两两能能级级差差的的入入射射光光子数密度子数密度u(n n)（辐射能谱密度辐射能谱密度）成正比，即成正比，即 (8.1-8) (8.1-9) A21、B12、B21：爱因斯坦系数爱因斯坦系数8.1.3 爱因斯坦公式爱因斯坦公式8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与

9、受激辐射8 激光基础激光基础 按按照照爱爱因因斯斯坦坦的的观观点点，在在热热平平衡衡状状态态下下，原原子子体体系系在在单单位位时时间间内内受受激激吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即。即 (8.1-10) (8.1-11) 由玻耳兹曼分布律得：由玻耳兹曼分布律得： (8.1-12) (8.1-13) 8.1.3 爱因斯坦公式爱因斯坦公式8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础比较两式可得比较两式可得爱因斯坦公式：爱因斯坦公式： (8.1-15) (8.1-16) 说明：说明：爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理

10、论基础爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理论基础 8.1.3 爱因斯坦公式爱因斯坦公式8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础由普朗克量子辐射公式可以证明：由普朗克量子辐射公式可以证明： (8.1-14) 当当频频率率为为n n 的的光光波波通通过过具具有有能能级级差差E2- -E1=hn n 的的介介质质时时，将将同同时时发发生生受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射。按按爱爱因因斯斯坦坦公公式式，dt时时间间内内，介介质质单单位位体体积积受受激激吸吸收收的的光光子数子数dN12与受激辐射的光子数与受激辐射的光子数dN21之比为之比为 (8.1-17) 热平衡状态下：热平衡

11、状态下：N2N1，dN21N1，dN21dN12。即高能态的粒子数布居大于低能态。即高能态的粒子数布居大于低能态。意意义义：光光波波在在处处于于粒粒子子数数布布居居反反转转分分布布的的介介质质中中传传播播时时，介介质质受受激激辐辐射射的的光光子数大于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光放大或光增益。子数大于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光放大或光增益。 实现粒子数布居反转分布是实现粒子数布居反转分布是产生激光的必要条件产生激光的必要条件 能够造成粒子数布居反转分布的介质称为能够造成粒子数布居反转分布的介质称为激光介质或增益介质激光介质或增益介质 能级寿命能级寿命t t ：粒子能够在某个能级上停

12、留的平均时间。粒子能够在某个能级上停留的平均时间。 由于自发辐射，能级由于自发辐射，能级E2上的粒子数上的粒子数N2将随时间减少，在将随时间减少，在dt内的改变量：内的改变量： (8.1-18) (8.1-19) 意意义义：E2上上粒粒子子数数N2的的减减少少量量与与自自发发辐辐射射几几率率系系数数A21的的大大小小有有关关，经经过过t t=1/A21时时间间后后，将将减减少少到到初初始始值值的的1/e。所所谓谓能能级级寿寿命命实实际际上上就就是是指指在在该能级上的粒子数减少到初始值的该能级上的粒子数减少到初始值的1/e1/e所经历的时间所经历的时间。 8.1.5 能级寿命能级寿命8.1 自发

13、辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础说说明明：若若在在能能级级E2以以下下有有若若干干个个低低能能级级，则则能能级级E2的的寿寿命命应应等等于于该该能能级级到到各各个低能级自发辐射几率系数之和的倒数，即个低能级自发辐射几率系数之和的倒数，即 (8.1-20) 结论：结论：自发辐射系数越小，自发辐射的过程就越慢，粒子数在该能级的寿命自发辐射系数越小，自发辐射的过程就越慢，粒子数在该能级的寿命就越长，原子处在该状态就越稳定就越长，原子处在该状态就越稳定。8.1.5 能级寿命能级寿命8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础亚稳态：亚稳态：寿命特别长的激发态，可

14、达寿命特别长的激发态，可达1010-3-31 1s。因原子的碰撞和外界干扰，。因原子的碰撞和外界干扰，能级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。能级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。 1. 热平衡状态下的粒子数布居热平衡状态下的粒子数布居2. 自发辐射、受激辐射和受激吸收的基本概念自发辐射、受激辐射和受激吸收的基本概念3. 爱因斯坦公式的意义爱因斯坦公式的意义4. 粒子数反转与光放大条件粒子数反转与光放大条件5. 能级寿命的意义能级寿命的意义 本节重点本节重点8.1 自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射8 激光基础激光基础8 激光基础激光基础8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器主要

15、内容主要内容8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础1. 激光器的基本结构激光器的基本结构2. 激光介质中粒子数布居反转的实现激光介质中粒子数布居反转的实现 3. 增益系数及阈值条件增益系数及阈值条件 4. 辐射线宽辐射线宽 5. 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 6. 几种典型的激光器几种典型的激光器 8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.1 激光器的基本结构激光器的基本结构实现激光发射的两个必备条件：实现激光发射的两个必备条件：受激辐射的产生和放大。受激辐射的产生和放大。激光器：激光器：能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。能够实

16、现受激辐射产生和放大的器件或装置。激激光光振振荡荡器器：具具有有一一个个光光学学谐谐振振腔腔，由由受受激激辐辐射射产产生生的的光光在在腔腔内内多多次次往往返返而而形成持续的激光振荡形成持续的激光振荡。激激光光放放大大器器：自自身身不不具具有有光光学学谐谐振振腔腔，只只能能使使来来自自其其他他激激光光器器输输出出的的激激光光信信号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大。号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大。说说明明：通通常常的的激激光光器器，一一般般指指激激光光振振荡荡器器，在在某某些些情情况况下下则则是是指指由由激激光光振振荡荡器和放大器组成的组合系统。器和放大器组成的组合系统。8

17、.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础增益介质增益介质 激励源激励源 光学谐振腔光学谐振腔说说明明：仅仅有有激激励励源源、增增益益介介质质和和光光学学谐谐振振腔腔还还不不一一定定能能输输出出激激光光。只只有有使使受受激激辐辐射射的的增增益益大大于于其其损损耗耗，才才能能使使受受激激辐辐射射在在谐谐振振腔腔内内来来回回反反射射时，强度不断增大，最后输出激光。时，强度不断增大，最后输出激光。 图图8.2-1 激光器的基本结构激光器的基本结构激励源激励源光学谐振腔光学谐振腔增益介质增益介质激光输出激光输出激光振荡器的主要组成：激光振荡器的主要组成：8.2 激光的产生与激光器激

18、光的产生与激光器8 激光基础激光基础增增益益介介质质：激激光光器器中中产产生生受受激激辐辐射射的的物物质质（又又称称激激活活介介质质，可可以以是是气气体体、液液体、固体或半导体等）。体、固体或半导体等）。增益介质的作用：增益介质的作用：激光器的核心激光器的核心放大入射光。放大入射光。增增益益介介质质条条件件：有有一一对对能能够够产产生生激激光光的的能能级级，并并且且高高能能级级应应有有足足够够长长的的寿寿命命，使使得得被被激激发发到到该该能能级级上上的的粒粒子子能能滞滞留留较较长长时时间间，与与低低能能级级之之间间形形成粒子数布居的反转分布。成粒子数布居的反转分布。(1) 增益介质增益介质激激

19、励励源源的的作作用用：供供给给增增益益介介质质能能量量，以以使使其其中中处处于于基基态态的的粒粒子子获获得得一一定定能能量量后被抽运到高能态后被抽运到高能态，形成两个能级上的粒子数布居反转。，形成两个能级上的粒子数布居反转。 8.2.1 激光器的基本结构激光器的基本结构8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础说说明明：激激励励过过程程常常被被形形象象化化地地称称为为泵泵浦浦或或抽抽运运过过程程。为为了了不不断断地地得得到到激激光光输输出，必须不断地出，必须不断地“泵浦泵浦”增益介质以维持其粒子数布居的反转分布增益介质以维持其粒子数布居的反转分布。 常用激励方式：常用激励

20、方式：电泵浦、光泵浦、热泵浦、化学泵浦等。电泵浦、光泵浦、热泵浦、化学泵浦等。 电电激激励励：用用气气体体放放电电的的方方法法获获得得具具有有一一定定动动能能的的电电子子，再再由由其其进进一一步步激激发发介介质原子。质原子。 光光激激励励：用用强强光光照照射射增增益益介介质质（常常用用光光激激励励源源：脉脉冲冲氙氙灯灯、脉脉冲冲激激光光器器、半半导体激光器等）。导体激光器等）。(2) 激励源激励源光光学学谐谐振振腔腔：装装上上在在增增益益介介质质两两端端的的一一对对反反射射率率很很高高的的反反射射镜镜，结结构构相相当当于于一一个个法法布布里里- -珀珀罗罗标标准准具具。其其中中一一个个为为全全

21、反反射射镜镜，反反射射率率接接近近100%；另一个为部分反射镜，反射率约；另一个为部分反射镜，反射率约80%左右。左右。 8.2.1 激光器的基本结构激光器的基本结构8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础(3) 光学光学谐振腔谐振腔光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：实现光的正反馈实现光的正反馈对输出光束的波长进行选择对输出光束的波长进行选择高度单色性高度单色性 使输出光束的定向使输出光束的定向高度方向性高度方向性8.2.1 激光器的基本结构激光器的基本结构8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础图图8.2-2 光学谐振腔对激光束方向的选择光学

22、谐振腔对激光束方向的选择当当增增益益介介质质产产生生的的受受激激辐辐射射到到达达两两端端的的反反射射镜镜面面时时，将将被被再再次次反反射射回回增增益益介介质质，从从而而继继续续诱诱发发新新的的受受激激辐辐射射。被被进进一一步步放放大大的的受受激激辐辐射射在在谐谐振振腔腔中中来来回回振振荡荡，同同时时不不断断地地诱诱发发新新的的受受激激辐辐射射，使使之之雪雪崩崩似似地地获获得得放放大大，产产生生强强烈的激光，并从部分反射镜一端输出。烈的激光，并从部分反射镜一端输出。 工作原理：工作原理：二能级系统的不足：二能级系统的不足：8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.2

23、 激光介质中粒子数布居反转的实现激光介质中粒子数布居反转的实现图图8.2-3 激光增益介质的两种工作模式激光增益介质的两种工作模式(a) 三能级图三能级图抽抽运运E3E1hn n激励激励E2无辐射跃迁无辐射跃迁B21B12A21(b) 四能级图四能级图E0抽抽运运E3E1hn n激励激励E2无辐射跃迁无辐射跃迁B21B12A21由由于于B12=B21，最最终终只只能能达达到到两两个个能能级级的的粒粒子子数数相相等等而而使使系系统统趋趋于于稳稳定定，不能实现两个能级之间的粒子数布居反转。不能实现两个能级之间的粒子数布居反转。激光增益介质的两种实际工作模式：激光增益介质的两种实际工作模式：8.2.

24、2 粒子数部居反转的实现粒子数部居反转的实现8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础三能级系统的特点：三能级系统的特点：四能级系统的特点：四能级系统的特点：粒粒子子被被从从基基态态E0抽抽运运到到激激发发态态E3，然然后后通通过过无无辐辐射射跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态E2。当当E1为为非非稳稳态态能能级级时时，粒粒子子经经受受激激辐辐射射从从E2能能级级跃跃迁迁到到E1能能级级后后，会会很很快快通过无辐射跃迁回到基态，极易实现通过无辐射跃迁回到基态，极易实现E2和和E1之间粒子数布居反转之间粒子数布居反转。 粒粒子子被被从从基基态态E1抽抽运运到到激激发发态态E3，然然后

25、后从从E3态态无无辐辐射射跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态E2。随随着着E1上上的的粒粒子子数数不不断断减减少少，E2上上的的粒粒子子数数N2不不断断增增多多。当当N2N1时时，实实现粒子数布居反转现粒子数布居反转。 (8.2-1) (8.2-2) 8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.3 增益系数及阈值条件增益系数及阈值条件 光束在谐振腔内往返一次后的强度：光束在谐振腔内往返一次后的强度： (8.2-3) 设设激激光光器器的的增增益益系系数数为为G，谐谐振振腔腔腔腔长长为为L，两两个个反反射射镜镜的的强强度度反反射射率分别为率分别为R1、R2 ，光束的初始强度（光束

26、的初始强度（z=0处）为处）为I0 。增益介质中增益介质中z处的光强度的增量：处的光强度的增量： 增益介质中增益介质中z处的光强度：处的光强度： (8.2-4) 即即 (8.2-5) 增益要求：增益要求： 产生激光的阈值条件（谐振腔必须达到的最小增益）：产生激光的阈值条件（谐振腔必须达到的最小增益）： (8.2-6) 说说明明：由由于于各各种种因因素素的的影影响响，激激光光器器实实际际输输出出的的激激光光并并不不是是理理想想单单色色的的，而而是是具具有有一一定定的的频频率率宽宽度度。通通常常给给出出的的激激光光频频率率只只表表示示增增益益介介质质粒粒子自高能级向低能级跃迁时产生辐射的中心频率。

27、子自高能级向低能级跃迁时产生辐射的中心频率。8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.4 辐射线宽辐射线宽 图图8.2-4 激光的线宽激光的线宽n n0-D-Dn n/2n nD Dn n/2辐射线宽：辐射线宽：激光辐射的光谱范围宽度。激光辐射的光谱范围宽度。频率增宽类型：频率增宽类型：自然增宽，碰撞增宽，多普勒增宽。自然增宽，碰撞增宽，多普勒增宽。 (2) 碰撞增宽碰撞增宽 增增益益介介质质中中的的粒粒子子在在激激发发态态能能级级的的寿寿命命t t 决决定定了了自自发发辐辐射射过过程程持持续续的的时时间间，有有限限的的辐辐射射波波列列长长度度意意味味着着该该辐辐

28、射射不不再再是是理理想想的的单单色色辐辐射射，而而是是具具有一定的频率展宽。有一定的频率展宽。说明：说明：能级能级E2为亚稳态时，为亚稳态时，t t 10-3s，故，故D Dn n为为kHz数量级或更小。数量级或更小。 (8.2-7) 增增益益介介质质中中粒粒子子间间距距离离较较小小时时，粒粒子子间间可可能能发发生生碰碰撞撞。碰碰撞撞可可加加速速激激发态粒子向低能级的跃迁，从而缩短能级的寿命，导致谱线进一步加宽。发态粒子向低能级的跃迁，从而缩短能级的寿命，导致谱线进一步加宽。自然线宽大小：自然线宽大小：说说明明：对对于于气气体体介介质质，压压强强较较大大时时粒粒子子碰碰撞撞的的几几率率增增大大

29、，因因而而碰碰撞撞增增宽宽的的几率也增大。几率也增大。 (1) 自然增宽自然增宽8.2.4 辐射线宽辐射线宽8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础对对于于气气体体介介质质，由由于于粒粒子子的的热热运运动动，其其辐辐射射将将因因多多普普勒勒效效应应而而发发生生频频移移。其其中中当当粒粒子子向向着着探探测测器器运运动动时时，其其辐辐射射频频率率将将比比静静止止时时增增大大，反反之之则则减少。减少。说明：说明：(3) 多普勒增宽多普勒增宽8.2.4 辐射线宽辐射线宽8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础增增益益介介质质的的辐辐射射线线宽宽往往往往是

30、是几几种种增增宽宽的的综综合合。但但对对于于不不同同的的增增益益介介质质和和工工作作条条件件，各各种种增增宽宽的的贡贡献献不不同同。如如对对于于氦氦- -氖氖激激光光器器的的623.8nm谱谱线线，在在室室温温和和约约200Pa压压强强下下，碰碰撞撞增增宽宽远远大大于于自自然然线线宽宽，而而多多普普勒勒增增宽宽又比碰撞增宽大一个数量级。因此，多普勒增宽起主要作用。又比碰撞增宽大一个数量级。因此，多普勒增宽起主要作用。 光波在光学谐振腔内形成稳定振荡的条件：光波在光学谐振腔内形成稳定振荡的条件：满足相长干涉条件，形成驻波。满足相长干涉条件，形成驻波。 (1) 纵模纵模 纵模：纵模：光场沿谐振腔纵

31、向传播的不同振动模式光场沿谐振腔纵向传播的不同振动模式不同频率的驻波。不同频率的驻波。 ， j=1, 2, 3, (8.2-8) L: 为腔长；为腔长；n：激活介质的折射率；激活介质的折射率；j：腔内的波腹数腔内的波腹数。(8.2-9) (8.2-10) 8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.5 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 谐振腔满足驻波条件的频率成分：谐振腔满足驻波条件的频率成分：纵模间隔：纵模间隔： 图图8.2-5 激光的纵模激光的纵模n n0-D-Dn n/2n nD Dn n/2D Dn nL(8.2-11) 说说明明：由由驻驻波波条条件件确确定

32、定的的频频率率只只是是谐谐振振腔腔允允许许的的谐谐振振频频率率，其其中中只只有有落落在在增增益益介介质质辐辐射射线线宽宽内内，并并同同时时满满足足阈阈值值条条件件的的那那些些谐谐振振频频率率，才才能能形成稳定的激光。形成稳定的激光。激光器输出的频率个数（纵模数）：激光器输出的频率个数（纵模数）： 8.2.5 激光的纵模和横模激光的纵模和横模8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础横模：横模：谐振腔内光场沿横向的稳定分布谐振腔内光场沿横向的稳定分布。意意义义：激激光光束束在在腔腔内内往往返返一一个个来来回回后后能能够够再再现现其其自自身身的的一一种种光光场场分分布布状状态

33、态，一般用一般用TEMmn表示模式（表示模式（m，n：光斑沿：光斑沿x和和y方向出现的暗区数目）方向出现的暗区数目） 分类：分类：轴对称模，旋转对称模。轴对称模，旋转对称模。 说明：说明：为获得高质量光束，实验中一般希望激光器工作在单模输出状态。为获得高质量光束，实验中一般希望激光器工作在单模输出状态。 (2) 横模横模图图8.2-6 激光的横模激光的横模TEM00TEM20TEM03TEM11TEM10TEM018.2.5 激光的纵模和横模激光的纵模和横模8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础(1) 固体激光器（红宝石、固体激光器（红宝石、YAG） 8.2 激光的产

34、生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器典典型型的的固固体体激激光光器器：红红宝宝石石激激光光器器（694.3nm），钕钕（Nd）玻玻璃璃激激光光器器（1064nm），掺掺钕钕钇钇铝铝石石榴榴石石（YAG:Nd）激激光光器器（1064nm），钛钛宝宝石石（Al2O3:Ti）激激光光器器（660-1180nm）结构特点：结构特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率（能量）大器件小、坚固、使用方便、输出功率（能量）大 连续工作方式：连续工作方式：输出功率可达输出功率可达100W以上以上增益介质：增益介质：均匀掺入少量激活离子的晶体或玻璃均匀掺入少量

35、激活离子的晶体或玻璃 脉冲工作方式：脉冲工作方式：峰值功率可达峰值功率可达109W以上以上红红宝宝石石激激光光器器：增增益益介介质质红红宝宝石石棒棒（Al2O3:Cr晶晶体体），典典型型的的三三能能级级粒子体系，辐射波长为粒子体系，辐射波长为694.3nm，脉冲高压氙灯泵浦。，脉冲高压氙灯泵浦。 红宝石激光器的发明者红宝石激光器的发明者梅曼梅曼第一台红宝石激光器的结构图第一台红宝石激光器的结构图8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础(2) 气体激光器气体激光器 典典型型的的气气体体激激光光器器：氦氦氖氖（He-Ne）激激光光

36、器器，氩氩离离子子激激光光器器，二二氧氧化化碳碳（CO2）激激光光器器，氦氦镉镉（He-Cd）激激光光器器，铜铜蒸蒸气气激激光光器器，氮氮分子激光器，准分子激光器分子激光器，准分子激光器结结构构特特点点：结结构构简简单单，造造价价低低，操操作作方方便便，能能长长时时间间较较稳稳定定地地连连续续工工作作，并并且输出光束的方向性好、单色性好且输出光束的方向性好、单色性好泵浦方式：泵浦方式：较多的为气体放电，也可以化学泵浦、热泵浦较多的为气体放电，也可以化学泵浦、热泵浦 增益介质：增益介质：气体或金属蒸气气体或金属蒸气 8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生

37、与激光器8 激光基础激光基础最最早早研研制制成成功功的的，也也是是最最常常用用的的一一种种中中性性原原子子气气体体激激光光器器。最最强强的的输输出波长为出波长为632.8nm、1.15nm和和3.39nm。 氦氖（氦氖（He-Ne）激光器）激光器贝贝尔尔实实验验室室的的A. Javan, W. Bennett和和 D. Herriott 在在调调试试世世界界上上第一台输出第一台输出1.15微米连续光束的微米连续光束的 He-Ne激光器（激光器（1960年）。年）。8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础缺点：缺点：内腔式激光管

38、较短，输出功率较小。内腔式激光管较短，输出功率较小。 图图8.2-7 内腔式氦氖激光管结构内腔式氦氖激光管结构出光端出光端毛细管毛细管阳极阳极阴极阴极部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础结结构构特特点点：毛毛细细管管与与谐谐振振腔腔的的两两个个腔腔镜镜封封装装在在一一起起，并并且且在在出出厂厂时时已已调调节节至至最最佳佳出出光光状状态态，输输出出功功率率相相对对稳稳定定，使使用用时时无无须须再再进进行调节。行调节。 a. 内腔式氦内腔式氦-氖激光器氖激光器缺缺点点：使使用用时时往往往往需

39、需要要调调节节反反射射镜镜的的方方位位并并擦擦拭拭反反射射镜镜和和布布儒儒斯斯特特窗窗，以以获得最佳激光输出。获得最佳激光输出。 半外腔式氦氖激光管结构半外腔式氦氖激光管结构布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管阳极阳极阴极阴极部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜布儒斯特窗布儒斯特窗8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础结结构构特特点点：毛毛细细管管与与腔腔镜镜分分离离，因因而而可可在在毛毛细细管管的的两两端端或或一一端端加加上上布布儒儒斯斯特特窗窗，以以获获得得平平面面偏偏振振激激光光输输出出，并并且且激激光光管管可可以以做做得

40、得较较长长，输出功率也较大。输出功率也较大。 b. 外腔式氦外腔式氦-氖激光器氖激光器半外腔式氦氖激光管结构半外腔式氦氖激光管结构布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管阳极阳极阴极阴极部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础结结构构特特点点：毛毛细细管管的的一一端端与与反反射射镜镜封封装装，另另一一端端与与反反射射镜镜分分离离，并并加加布布儒儒斯特窗。斯特窗。 c. 半外腔式氦半外腔式氦-氖激光器氖激光器 氩氩离离子子激激光光器器：离离子子气气体体激激光光器器，激激活活介介质质为为Ar+离离子子，

41、主主要要输输出出波波长长488.1nm和和514.5nm。 二二氧氧化化碳碳（CO2）激激光光器器：分分子子气气体体激激光光器器，激激活活介介质质为为CO2分分子子，主主要输出波长要输出波长10.6m mm。 氦氦镉镉（He-Cd）激激光光器器：离离子子气气体体激激光光器器，激激活活介介质质为为Cd离离子子，He离离子为提高激发效率的辅助气体，主要输出波长子为提高激发效率的辅助气体，主要输出波长441.6nm和和325nm。 铜铜蒸蒸气气激激光光器器：中中性性原原子子蒸蒸气气激激光光器器，激激活活介介质质为为Cu原原子子，主主要要输输出出波长为波长为510.5nm。 氮氮分分子子激激光光器器：

42、分分子子气气体体激激光光器器，激激活活介介质质为为N2分分子子，主主要要输输出出波波长长为为337.1nm。 准准分分子子激激光光器器：分分子子气气体体激激光光器器，激激活活介介质质为为N2分分子子，主主要要输输出出波波长长为为193nm、248nm、308nm和和351nm。 8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础增增益益介介质质：若若丹丹明明、香香豆豆素素、碳碳化化氢氢等等有有机机染染料料溶溶液液，或或掺掺钕钕三三

43、氯氯氧氧磷磷等等无机液体。无机液体。 特特 点点：输输出出波波长长连连续续可可调调且且覆覆盖盖面面宽宽，输输出出功功率率较较高高且且稳稳定定，结结构构简简单、价格便宜。单、价格便宜。 常常用用液液体体激激光光器器：染染料料激激光光器器，把把有有机机染染料料溶溶于于溶溶剂剂（乙乙醇醇、丙丙酮酮、水水等等）中中, ,利利用用不不同同染染料料可可获获得得不不同同波波长长（在在可可见见光光范范围围）的的激激光光输输出。出。 说说 明明：染染料料激激光光器器一一般般需需要要用用其其他他激激光光器器输输出出的的激激光光来来泵泵浦浦，常常用用泵泵浦源为氩离子激光器。浦源为氩离子激光器。 (3) 液体激光器液

44、体激光器法布里法布里- -珀罗腔珀罗腔介电反射镜介电反射镜半导体激光器结构半导体激光器结构 增增益益介介质质：砷砷化化镓镓、铝铝镓镓砷砷、硫硫化化镉镉、硫硫化化锌锌、锑锑化化铟铟等等半半导导体体材材料料。目目前前较较成成熟熟的的是是纯纯质质及及掺掺杂杂砷砷化化镓镓半半导导体体激激光光器器，发发射射激激光光包包含含可见光到近红外区的多种波长。可见光到近红外区的多种波长。 (4) 半导体激光器（激光二极管，半导体激光器（激光二极管，Laser diode ）构造原理：构造原理：通常由通常由P层、层、N层和形成双异质结的有源层构成。层和形成双异质结的有源层构成。 激励方式：激励方式：光激励、电激励光

45、激励、电激励特特点点：耦耦合合效效率率高高、寿寿命命长长（可可达达十十万万至至百百万万小小时时）、可可直直接接调调制制、波波长长和和尺尺寸寸与与光光纤纤尺尺寸寸适适配配、体体积积小小、重重量量轻轻、价价格格低低廉廉、结结构构简单而坚固。简单而坚固。8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础增益介质：增益介质：经电子加速器加速的高能电子束（能量高达几千万电子伏特）。经电子加速器加速的高能电子束（能量高达几千万电子伏特）。工工

46、作作原原理理：以以真真空空中中运运动动的的相相对对论论电电子子束束在在“泵泵浦浦场场”的的激激励励下下经经受受激激辐辐射放大产生激光。射放大产生激光。特点：特点： v可可获获得得非非常常高高的的能能量量转转换换效效率率和和激激光光功功率率（目目前前的的实实验验室室峰峰值值功功率率达达109W，平均功率可达，平均功率可达106W）；）；v脉冲宽度可调；脉冲宽度可调；v波长连续可调且分布范围宽（从毫米波段到软波长连续可调且分布范围宽（从毫米波段到软X射线）；射线）；v光束质量好（发散角接近衍射极限，亮度比一般激光要高得多）。光束质量好（发散角接近衍射极限，亮度比一般激光要高得多）。 应应用用：除除

47、用用于于军军事事上上的的定定向向能能武武器器外外，还还可可广广泛泛用用于于激激光光聚聚变变、生生物物医医学学、材料科学、光化学、激光光谱学等研究领域。材料科学、光化学、激光光谱学等研究领域。 (5) 自由电子激光器自由电子激光器8.2.6 几种典型的激光器几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础电子加速器电子加速器摆动磁场阵列摆动磁场阵列全反射镜全反射镜输出镜输出镜电子束电子束l lW自由电子激光器结构原理自由电子激光器结构原理本节重点本节重点8.2 激光的产生与激光器激光的产生与激光器8 激光基础激光基础1. 激光器的基本结构激光器的基本结构2. 激光介质中粒子数布居反转的实现激光介质中粒子数布居反转的实现 3. 激光器增益系数及阈值条件激光器增益系数及阈值条件 4. 辐射线宽的定义辐射线宽的定义 5. 激光纵模和横模的意义激光纵模和横模的意义 6. He- -Ne激光器的结构特点激光器的结构特点