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1、理学院 物理系 陈强16.11 16.11 激光激光laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation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”。16.11 激光1理学院 物理系 陈强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 ）激光种类：激光种类： 固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3） 液体（
2、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） 按工作物质分按工作物质分16.11 激光2理学院 物理系 陈强E1, N1E2, N2一一. 自发辐射、受激辐射与受激吸收自发辐射、受激辐射与受激吸收能级跃迁能级跃迁 光子的吸收和发射光子的吸收和发射设设E2 E1 ，光子频率，光子频率 1. 自发辐射自发辐射：各光子的各光子的频率频率、相位相位、偏振态偏振态和和传播方向传播方向无关联无关联随机过程，各粒子是否跃迁、何时跃迁互无关联随机过程，各粒子是否跃迁、何时跃迁互无关联高能级粒子在高能级粒子在无外界影响无外界影响时以一定概率时
3、以一定概率自发跃迁自发跃迁到低能级，并发出一个光子。到低能级，并发出一个光子。特点：特点：N1,2 单位体积中处于单位体积中处于E1,2 能级的原子数。能级的原子数。16.11 激光3理学院 物理系 陈强单单位位体体积积中中单单位位时时间间内内，从从E2 E1自自发发辐辐射射的的原原子数：子数： 写成等式写成等式 A21 自发辐射系数自发辐射系数 ，单个原子在单位，单个原子在单位 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。 N21 单位体积中从单位体积中从 E2 E1自发辐射自发辐射的粒子数。的粒子数。 激发态平均寿命激发态平均寿命：粒子自发辐射时处于某激发态的：粒子自发辐射
4、时处于某激发态的平均时间平均时间亚稳态亚稳态： 16.11 激光4理学院 物理系 陈强2. 受激辐射受激辐射：高能级粒子受：高能级粒子受光子的激励，光子的激励，跃迁到低能级并产生一个同频率光子。跃迁到低能级并产生一个同频率光子。 h E1E2h h 特点：特点：辐射光子辐射光子与入射光子频率、与入射光子频率、相位、偏振方向及传播方向相位、偏振方向及传播方向完全相同完全相同 相干光相干光光放大光放大16.11 激光5理学院 物理系 陈强温温度度为为时时, 频频率率为为 = (E2 - E1) / h附附近近，单位频率间隔的外来光的能量密度。单位频率间隔的外来光的能量密度。设设 ( ,T ) 单单
5、位位体体积积中中单单位位时时间间内内,从从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 受激辐射具有光的放大作用。受激辐射具有光的放大作用。16.11 激光6理学院 物理系 陈强h 3. 受激吸收受激吸收：低能级粒子受：低能级粒子受光子的照射，光子的照射，吸收该光子跃迁到高能级。吸收该光子跃迁到高能级。 E1E2单单位位体体积积中中单单位位时时间间内内因因吸吸收收外外来光而从来光而从E1E2 的原子数：的原子数：写成等式写成等式 B12：受激吸收系数受激吸收系数16.11 激光7理学院 物理系 陈强A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称
6、为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 1917年从理论上得出年从理论上得出爱爱因因斯斯坦坦的的受受激激辐辐射射理理论论为为六六十十年年代代初初实实验验上上获获得得激光奠定了理论基础。激光奠定了理论基础。B21 = B12强光照射时自发辐射可略强光照射时自发辐射可略, 受激辐射和受激吸收竞争受激辐射和受激吸收竞争一般地，自发辐射、受激辐射与受激吸收同时存在一般地，自发辐射、受激辐射与受激吸收同时存在。 光强变化：光强变化：16.11 激光8理学院 物理系 陈强16.11 激光4粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大热平衡热平衡时，各能级上的粒子数满足时，各能级上的粒子数满足Boltzmann分布分
7、布： E1、E2能级上的粒能级上的粒子数之比子数之比 热平衡时正常分布：高能级粒子少热平衡时正常分布：高能级粒子少, 低能级粒子多低能级粒子多例：例：T 300K，E1 E2 1eV时，时，9理学院 物理系 陈强16.11 激光粒子数反转粒子数反转：N2 N1 外界刺激打破热平衡外界刺激打破热平衡时，受激辐射时，受激辐射 受激吸收受激吸收, 可实现可实现光放大光放大。粒子数反转是实现光放大的必要条件之一。粒子数反转是实现光放大的必要条件之一。如何实现？如何实现？激活物质激活物质 + 激励激励/光泵光泵/抽运抽运 激活物质激活物质：有：有合适的能级结构合适的能级结构，能实现粒子数反转。，能实现粒
8、子数反转。激励激励：外界输入能量使粒子从低能态跃迁到高能态。：外界输入能量使粒子从低能态跃迁到高能态。热平衡热平衡分布时，分布时，dI 受激辐射。受激辐射。 由由10理学院 物理系 陈强E1(基态基态)E3(激发态激发态)E2(亚稳态亚稳态)16.11 激光二二激光器原理激光器原理具有具有亚稳态能级亚稳态能级的物质有可能成为激活物质。的物质有可能成为激活物质。 如红宝石如红宝石(Al2O3掺杂掺杂0.035%Cr+)，He-Ne, CO2等等h h h h 无辐射跃迁无辐射跃迁三能级系统三能级系统：1.激光工作物质激光工作物质 (增益物质增益物质） 激活物质激活物质11理学院 物理系 陈强16
9、.11 激光四能级系统四能级系统：h h h h 无辐射跃迁无辐射跃迁E1(基态基态)E(激发态激发态)E(亚稳态亚稳态)E212理学院 物理系 陈强全反镜全反镜半反镜半反镜16.11 激光2. 光学谐振腔光学谐振腔初始初始诱发光子源于自发辐射诱发光子源于自发辐射 受激辐射受激辐射随机随机产生产生结构：结构：全反镜全反镜 + 半反镜半反镜，严格平行严格平行原理：原理： 怎么得到定向光束？怎么得到定向光束？光学谐振腔！光学谐振腔！13理学院 物理系 陈强16.11 激光 作用：作用：使激光具有极好的方向性（沿轴线）；使激光具有极好的方向性（沿轴线）；增强光放大作用（延长了工作物质）；增强光放大作
10、用（延长了工作物质）；使激光具有极好的单色性（选频）。使激光具有极好的单色性（选频）。增益系数增益系数：增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射等光的吸收、散射、衍射、透射等( (包括一端的部分反射镜处必要的激光输出包括一端的部分反射镜处必要的激光输出) )。激光形成阶段：增益激光形成阶段：增益 损耗损耗激光稳定阶段：增益激光稳定阶段：增益 损耗损耗激光器内受激辐射光来回传播时，并存激光器内受激辐射光来回传播时，并存增益增益和和损耗损耗14理学院 物理系 陈强增益物质增益物质I016.11 激光定义：增益系数定义：增益系数 G (gain coefficient)即：单位
11、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，近似认为为简单起见，近似认为G是常数。是常数。 经经L距离后光放大距离后光放大G 描述光放大能力。描述光放大能力。 xOI II+dII+dId dx15理学院 物理系 陈强16.11 激光阈值阈值：反射时有损耗，与反射时有损耗，与反射率反射率r有关：有关： 考虑一次往返：考虑一次往返： 阈值条件阈值条件： 阈值增益阈值增益：只有只有G Gm时，才会出光，时，才会出光，L越大，越容易出光越大，越容易出光 M1M2Lr1r216理学院 物理系 陈强16.11 激光 即即 须须 I2 / I0 = 1在激光稳
12、定阶段，光强增大到一定程度后在激光稳定阶段，光强增大到一定程度后激光形成时激光形成时G Gm，光放大为何不会无限放大？光放大为何不会无限放大？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 ?解释：实际的增益系数解释：实际的增益系数G不是常量不是常量,当当 I 时，有时，有 G 。由于光强增大会伴随着粒子数反转程度的减弱由于光强增大会伴随着粒子数反转程度的减弱（负反馈）（负反馈）当光强增大到一定程度，当光强增大到一定程度，G下降为下降为m， 增益增益 损耗，激光达到稳定。损耗，激光达到稳定。问题：问题：17理学院 物理系 陈强16.11 激光光学谐振腔的选频作用：光学谐振腔的选频
13、作用：对有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选对有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。出一种跃迁。 方法一：方法一：控制控制r1、r2的大小：的大小：例如氦氖激光器例如氦氖激光器Ne原子的原子的0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激辐射光中受激辐射光中, 只输出只输出0.6328 m的光的光对对 0.6328 m 1、R2大大 Gm小小(易满足阈值易满足阈值)对对 1.15 m 、3.39 m 1、2小小 Gm大大方法二：方法二：对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。隔的方法，进一步在谱线宽度内再
14、选频。18理学院 物理系 陈强16.11 激光纵模纵模：a.不同频率的光在谐振腔中往返反射，不同频率的光在谐振腔中往返反射，只有能只有能形成驻波的频率存在形成驻波的频率存在，实现振荡放大。，实现振荡放大。驻波条件驻波条件 （纵模纵模） 纵模间隔：纵模间隔： b.能级宽度能级宽度 谱线宽度谱线宽度 ab： 内的各纵模内的各纵模 k均可出光，均可出光， L越小，纵模越少，单色性越好越小，纵模越少，单色性越好纵模个数：纵模个数： 19理学院 物理系 陈强16.11 激光3. 泵浦光源泵浦光源/激励能源：激励能源： 把低能粒子激发到高能态把低能粒子激发到高能态, 如：氙灯、泵浦激光等如：氙灯、泵浦激光
15、等,要求光子能量满足工作物质的能级特点要求光子能量满足工作物质的能级特点 横模横模（略）（略）20理学院 物理系 陈强16.11 激光. 激光器举例：激光器举例：红宝石激光器红宝石激光器(1960)：波长：波长：694.3nm红宝石红宝石泵浦光泵浦光694.3nm694.3nmE E0 0( (基态基态) )E E2 2( (激激发发态态) )550nm550nmE E1 1( (亚稳态亚稳态) )快衰变快衰变光抽运光抽运21理学院 物理系 陈强16.11 激光半导体激光器半导体激光器：抛光解理面抛光解理面, ,镀膜镀膜p-np-n结结p p型型n n型型n n型型抛抛光光解解理理面面, ,
16、镀半透膜镀半透膜偏压引线偏压引线偏压引线偏压引线(110)(110)激光束激光束GaAsGaAs半导体激光器半导体激光器22理学院 物理系 陈强16.11 激光三三. 激光特性与应用激光特性与应用1.高定向性高定向性：球面度球面度测月地距离测月地距离 误差几十厘米（误差几十厘米（ 9位有效数字）位有效数字） 2.高单色性高单色性：谱线宽度：谱线宽度，最好的常规光源，最好的常规光源3.高亮度高亮度：太阳表面约太阳表面约而目前的大功率激光器可达而目前的大功率激光器可达1017W/(cm2 sr)以上以上，能量高度集中能量高度集中 4.高相干性高相干性：极好的相干光，：极好的相干光， 光学实验光学实
17、验特性特性：23理学院 物理系 陈强16.11 激光3.光纤通讯、光信息处理、光存储、全息技术等光纤通讯、光信息处理、光存储、全息技术等2.测量（定向、测距、微小长度、角度、计量等）测量（定向、测距、微小长度、角度、计量等）1.非接触加工（如焊接、切割、打孔），激光武器非接触加工（如焊接、切割、打孔），激光武器小结：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（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）应用举例应用举例：24理学院 物理系
18、陈强激光加工激光加工 6KW CO2 激光加工机在进行金激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末属表面涂敷合金粉末的作业的作业25理学院 物理系 陈强C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 汤斯汤斯19541954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫巴索夫1958年几乎同时年几乎同时在量子电子学在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上
19、工作导致了激光器的发明。上工作导致了激光器的发明。The Nobel Prize in Physics 196426理学院 物理系 陈强赠 言哈佛的告诫哈佛的告诫哈佛大学每一个新生入学时拿到的哈佛大学每一个新生入学时拿到的哈佛学习生活指哈佛学习生活指南南都在非常显著的地方，用加大加粗的字体甚至套色都在非常显著的地方，用加大加粗的字体甚至套色印着这样两段话：印着这样两段话：“独立思想是美国学界的最高价值。美国高等教育体独立思想是美国学界的最高价值。美国高等教育体系以最严肃的态度反对把他人的著作或者观点化为己有系以最严肃的态度反对把他人的著作或者观点化为己有即所谓剽窃。每一个这样做的学生都将受到严
20、厉的即所谓剽窃。每一个这样做的学生都将受到严厉的惩罚，直至被从大学驱逐出去。惩罚，直至被从大学驱逐出去。”“当你在准备任何类型的学术论文当你在准备任何类型的学术论文包括口头发言稿、包括口头发言稿、平时作业、考试论文等时，你必须明确地指出：你的文平时作业、考试论文等时，你必须明确地指出：你的文章中有哪些观点是从别人的著作或任何形式的文字材料章中有哪些观点是从别人的著作或任何形式的文字材料上移入或借鉴而来的。上移入或借鉴而来的。”抄袭、剽窃、改头换面地移植，是哈佛教学、研究和抄袭、剽窃、改头换面地移植，是哈佛教学、研究和学习的大忌。学生受到的最严厉的惩罚，不是因为迟到学习的大忌。学生受到的最严厉的惩罚，不是因为迟到旷课、夜不归宿，甚至打架斗殴、损坏公物，而是学习旷课、夜不归宿，甚至打架斗殴、损坏公物，而是学习上抄袭剽窃。上抄袭剽窃。27理学院 物理系 陈强ThanksandGood luck28
