教学课件：激光原理.ppt

1、考试要求：1、平时成绩：10分2、实验成绩：20分3、期末考试：70分光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技术的一门学科电子学研究电子作为信息和能量载体的科学光子学研究光子作为信息和能量载体的科学光子技术 相干光的产生 （48学时）相干光的控制(调制、偏转)光频率（波长）变换 相干光的检测及应用光电子技术电子技术-光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波Nature Science Physics Review Letters (PRL)6.017Applied Physics Letters (APL)4.207Optics Letters (OL)3.395Optics Expre

2、ss(OE)3.219Journal of Applied physics (JAP)2.281IEEE Photonic technology Letters (PTL)2.1IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE)2.097Journal of Lightwave Technology(JLT)1.983一些相关的重要学术刊物(SCI收录期刊）激光的产生LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 科学技术发展规律 基础理论研究 应用技术 产品开发 产业 基础理论研究是构

3、筑科学大厦的基石 为激光发明做出贡献的科学家1964年钱学森院士提议取名为“激光”1917：爱因斯坦（A.Einstein）提出了受激辐射可实现光放大的概念,为激光发明奠定了理论基础。1917年以后近四十年内：量子理论的发展;粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展。1954：美国汤斯（C.H.Townes）前苏联巴索夫（N.G.Basov）普洛霍洛夫（A.M.Prokhorov）第一次实现氨分子微波量子振荡器（Maser）1958：美国汤斯与肖洛（A.L.Schawlow）提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想。布隆伯根（N.Bloembergen）提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数

4、反转分布的新构思。1960：美国休斯公司实验室梅曼（T.H.Maiman）世界上第一台红宝石固态激光器诞生。1964：汤斯、巴索夫、普洛霍洛夫“由于在量子电子学领域中的基础工作导致基于maser-laser原理的谐振器和放大器的发明”获得了该年的Nobel物理学奖。1981：肖洛也因其对激光光谱的贡献荣获该年度的 Nobel 物理奖。Townes说：“这项奖对Schlwlow来得太迟。”追寻成功者的足迹，给人必要的启迪任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大 胆探索的结果。勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿。大胆设想,勇于创新，勇于实践,锲而不舍。激光的特性1、方向性好；2、单色性好；空间相

5、干性方向性3、相干性好；时间相干性单色性4、高亮度。激光的四性本质上归结为：激光的四性本质上归结为：激光具有激光具有很高的光子简并度。很高的光子简并度。这些特性正是由于受激辐射的本性和激光腔的选模作用才得以实现的光纤化的迈克耳逊干涉仪激光的应用激光雷达激光武器激光通信激光显示激光切割激光美容激光传感器一、光的基本性质一、光的基本性质1、光既是粒子又是波，具有波粒二象性、光既是粒子又是波，具有波粒二象性（1）光子的能量：2chmh（2）光子的质量：（3）光子的动量：0 nkc00hhPnnc（4）光子有两个独立的偏振态；（5）光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量光子的集合服从玻色爱因斯坦分布。2

6、k 0n2、光是粒子性和波动性的统一：利用量子电动力、光是粒子性和波动性的统一：利用量子电动力 学的理论，可以将电磁场量子化学的理论，可以将电磁场量子化（1）电磁场的本征模式：具有基元能量 和基元 动量 的物质单元即属于同一本征模式的光子；lklh（2）具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分，应属于同一模式（或状态）；（3）处于同一模式或同一状态内的光子数目是没有 限制的；（4）任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本 征模式的线性叠加。3、光波模式、光波模式从波动性来讨论从波动性来讨论（1）麦克斯韦氏方程的解特解：单色平面波。通解：一系列单色平面波的叠加。（2）自由空间中的电磁波:任意波矢的

7、平面波均可 以存在。（3）受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立 的具有特定波矢 的平面单色驻波。即只 允许驻波模式存在！k（4）光波模式：能存在于腔内的以波矢 为标志的电磁波模式。不同模式以 区分，同一 又由于对应两个独立的偏振态，则同一波矢 对应两个不同偏振方向的光波模式。kkkk（5）求体积为V 的空腔中的光波模式数光波模式：光波模式：在一个有边界条件限制的空间在一个有边界条件限制的空间V内，具内，具有特性波矢有特性波矢 的平面驻波。的平面驻波。k一维驻波的形成：一维行波遇到障碍物后返回与一维驻波的形成：一维行波遇到障碍物后返回与原行波叠加形成的。原行波叠加形成的。驻 波 的 形 成x2

8、cos,2,1,02kkx,2,1,0)21(2kkx10 x波腹波腹波节AAkk2,1,02max221 k1,0k0minA1cos2()txyAT2cos2()txyAT12yyy)(2cos)(2cosxtAxtA2cos2cos2xAt对于驻波腔：对于驻波腔：x形成形成一维驻波必须满足条件：一维驻波必须满足条件：2xm 同理，可得二维空间驻波在同理，可得二维空间驻波在 ，方向上必须满足条件：方向上必须满足条件：xy2xm 2yn 2mx 2ny 2qz xm2yn2zq2又因为：2k则 的三个分量应满足：k（a）设：zyxV在 ,，三方向应用驻波条件得：xyz（b）光波模式的波矢空间

9、表示xmkxynkyzqkz波矢空间：以kx、ky、kz为直角坐标系构成的空间。每一个光波模式对应该空间的一个点。每个光模在波矢空间所占体积为：Vzyxkkkzyx33相邻模间隔：,xyzkkkxyz每一组正整数每一组正整数 ，对应于驻波腔内一种光波对应于驻波腔内一种光波模式。模式。mnq波矢空间中每个光波模式所占体积：zkykxkk33xyzkkkx y zV 第一象限中 区间体积：kkdk2211482k dkk dk此体积内光波模式数：2322122k dkk dkVV 22kc 2 ddkc V体积空腔内，频率 内 光波模式数（其中考虑了同一 有两种不同的偏振，所以总模式数乘以2）：d

10、238dMVc k（2）光子运动状态的描述受测不准关系的限制，其坐标和动量不能同时准确测定！（a）一维运动时：在 的二维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。hPxx4、光子态、光子态从粒子性来讨论从粒子性来讨论 在频率很高的光频波段,由于L,空腔中模密度很大，因而Laser的制成面临更大的挑战。（1）经典力学中粒子运动状态的描述用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐标（,）精确描述！xyzxpypzp（b）二维运动时：在 的四维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。2hPyPxyx（c）三维运动时：在 的六维相空间体积元内的粒子状态在物理上不

11、可区分，故属于同一种光子状态。3hPzPyPxzyx（d）相格：一个光子状态对应的相空间体积元，是用任何实验所能分辨的最小尺度。说明：说明：光子的运动状态只能定义在相格中，但不光子的运动状态只能定义在相格中，但不能确定它在该相格中的精确位置！能确定它在该相格中的精确位置！（5）相空间体积元大小：）相空间体积元大小：（6）相格空间体积：一个相格所占的坐标空间体积。）相格空间体积：一个相格所占的坐标空间体积。3hPzPyPxzyxzyxPPPhzyx35、光波模式与光子状态的关系：等效。、光波模式与光子状态的关系：等效。一个光波模即是一个光子态，在波矢空间中占据一个光波模即是一个光子态，在波矢空间

12、中占据一个体积：一个体积：一个光子态在六维相空间中占据一个相格：一个光子态在六维相空间中占据一个相格：一个相格或一个光子态内的光子不可区分。一个相格或一个光子态内的光子不可区分。xyzV3 3kkkkkk3hPzPyPxzyx相干性：相干波光场物理量之间的相关性质。二、光的相干性和光子简并度二、光的相干性和光子简并度相干条件相干条件（1）频率相同；）频率相同；（2）存在相互平行的偏振分量；）存在相互平行的偏振分量；（3）具有稳定的相位差。）具有稳定的相位差。产生干涉的条件：描述时间相干性的等效物理量：相干时间：c相干长度：cL谱线宽度：1ccLcc1 1、光的时间相干性、光的时间相干性 空间某

13、点处两个不同时刻的光场有空间某点处两个不同时刻的光场有相干性的最大时间间隔，即波列持续时间。相干性的最大时间间隔，即波列持续时间。（2 2）大小：）大小：1tc：光源的谱线宽度：光源的谱线宽度(线宽线宽)证：证：E(t)=t2i00eE00ttc其它其它 0 0：光源的中心频率光源的中心频率tEE00tc（1 1）相干时间）相干时间:（a a）场时函数）场时函数:光场随时间变化的函数关系。光场随时间变化的函数关系。（b）场频函数场频函数E(E()：光场随频率变换的函数关系。：光场随频率变换的函数关系。（场时函数的付里叶变换）（场时函数的付里叶变换）)()(tEFE（c）强频函数强频函数(光谱光

14、谱)：光强随频率变换的函数关系。：光强随频率变换的函数关系。(场频函数的模平方场频函数的模平方)2)(EI（d）线宽：强频函数峰值一半所对应的两频率之差。线宽：强频函数峰值一半所对应的两频率之差。ct1（3 3）本质：）本质：反映光源的单色性。反映光源的单色性。2-1 021I()I00.5I02 2、光的空间相干性、光的空间相干性（b）大小：大小：（a）定义：某时刻沿光传播方向两个不同地点光场定义：某时刻沿光传播方向两个不同地点光场有相干性的最大空间间隔，即光波列长度。有相干性的最大空间间隔，即光波列长度。（1 1）纵向空间相干性）纵向空间相干性相干长度相干长度cctLccc:c:光在真空中

15、的速度光在真空中的速度（c c）本质：反映光源单色性。）本质：反映光源单色性。来源于波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。（3 3）相干性的粗略描述）相干性的粗略描述相干体积相干体积相干体积Vc：若在空间体积Vc内各点的光波场具有 明显的相干性，则Vc称为相干体积。cAcALAVcccccc相干面积:cA属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。（2 2）横向空间相干性）横向空间相干性相干面积相干面积定义：某时刻在与光传播方向垂

16、直的平面上使定义：某时刻在与光传播方向垂直的平面上使 任意两点光场有相干性的最大空间面积。任意两点光场有相干性的最大空间面积。结论：结论：相格空间体积=一个光波模或光子态占有的空间体积=光源的相干体积。相同光子态或光波模式的光子是相干的，不同光子态或不同光波模式的光子是不相干的。3 3、光子简并度、光子简并度（1）对好的相干光源的衡量标准尽可能高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间（或相干长度）。普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是矛盾的！激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相干光源。（2）相干光强：是描述光的相干性的参量之一，其大小取决于具有相干性的

17、光子数的数目或同态光子的数目。（3）光子简并度：处于同一光子状态的光子 数目。用 表示。n（4）相干光强与光子简并度的关系：相干光 强的大小取决于光子简并度的大小，光 子简并度越大，则相干光强越大。（5）光子简并度的等效含义光子简并度 =同态光子数=同一光波模式内的光子数=同一相干体积内的光子数=同一相格内的光子数。n例例1 1：求封闭腔在 5000 处的单色模密度。21425338 388 3.14(6 10)3.35 10(3 10)ms mcHzc14108106105000103解：解：腔内单位体积中频率处于 附近单位频率间隔内的光波模式数：238MmVdc238dMVc 总模式数：总

18、模式数：例例2 2：求求 He-Ne 激激光器所发光子的能量、动光器所发光子的能量、动量、质量（光波长为量、质量（光波长为63286328）。）。解：解：J1014310632810310636hchE1910834.smkg1005110632810636hk2hP271034/.kg105310310632810636chchm36810342.一、光的受激辐射概念的产生一、光的受激辐射概念的产生普朗克普朗克1900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设；波尔波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。年

19、，提出受激辐射概念。1.黑体辐射的黑体辐射的Planck公式：公式：任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射（热辐射）。（热辐射）。黑体：黑体：能够完全吸收任何波长能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。的电磁辐射的物体。空腔辐射体空腔辐射体热平衡状态：热平衡状态：黑体吸收的辐射能量黑体吸收的辐射能量 黑体放出的辐射能量黑体放出的辐射能量 单色能量密度单色能量密度：dEdVd Planck辐射能量量子化假说：辐射能量量子化假说：黑体辐射黑体辐射Planck公式：公式：33811hKThmEce 热平衡状态下，黑体辐射分配热平衡状态下，黑体辐射分配到腔

20、内每个模式上的平均能量：到腔内每个模式上的平均能量：1hKThEe 腔内单位体积中频率处于腔内单位体积中频率处于 附近附近单位频率间隔内的光波模式数为：单位频率间隔内的光波模式数为：238MmVdc2.跃迁：跃迁：跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：吸收跃迁：低低吸收能量吸收能量高高12hEE 辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低二、自发辐射、受激吸收和受激辐射二、自发辐射、受激吸收和受激辐射1.自发辐射自发辐射（Spontaneous Emission）。2E1E发光前发光前h发光后发光后21hEE 普通光源普

21、通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同振动方向、相位不一定相同为为非相干光非相干光。E1E2hE1E2h221211ndtdnAsp主要特征：主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相干，即无需外来光，随机发光，发出的光子不相干，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。许许多多个模式上。自发辐射几率自发辐射几率（Spontaneous t

22、ransition rate）：）：A21 能级能级21 跃迁的特征参数跃迁的特征参数sA121E2能级平均寿命能级平均寿命 表示由于自发辐射跃迁引起的由表示由于自发辐射跃迁引起的由 向向 跃迁的原子数。跃迁的原子数。21()spdn2E1EtAenn21202221212nAdtdndtdnsp221211ndtdnAspsspndtdndtdn2212stenn/202sA121推导 A21 and s 的关系式 在自发辐射过程中，在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减；能级上粒子随时间按指数衰减；自发辐射几率自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命与自发辐射（能级）寿命 s呈

23、倒数关系；呈倒数关系；s 可以通过实验测得，由可以通过实验测得，由 A21=1/s可获得自发辐射几率；可获得自发辐射几率；A21只决定于物质本身性质，与辐射场只决定于物质本身性质，与辐射场 无关。无关。2.受激吸收（受激吸收（stimulated absorption STA）2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：1212WB 12B：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关121211stdnWdtn唯象的表示为：唯象的表示为：2E

24、1E发光前发光前hh发光后发光后h21hEE 3.受激辐射（受激辐射（stimulated emission STE）当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。21hEE 受激辐射的光放大示意图受激辐射光具有与外来光子一样的特征：受激辐射光具有与外来光子一样的特征：相位、偏振相位、偏振态、传输方向完全相同态、传输方向完全相同，所以受激辐射光是相干光。所以受激辐射光是相干光。21B：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性

25、质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：2121WB 与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关212121stdnWdtn三、爱因斯坦三系数三、爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系212112ABB、热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率吸收率（辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：221221112n An Bn B各能级上的原子数密度（集居数密度）各能级上的原子数密度（集居数密度）123nnn、21()2211EEKTnfenf 12ff、能级能级 和和 的简并度，的简并度，或称统计权重或称统计权重1E2E

26、（1）（2）21211121212/(,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 与与Planck公式比较得：公式比较得：33811hKThce 3213211212128Ahm hBcB fB f 由（由（1）和（）和（2）可得：）可得：Planck 公式为：公式为：结论：结论：1.其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同 几率。几率。2.热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子子 数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，

27、其差额由自发辐射补偿。额由自发辐射补偿。3.自发辐射的出现随自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，而增大，故波长越短，自发辐射几率越大。自发辐射几率越大。3 四、受激辐射的相干性四、受激辐射的相干性自发辐射：自发辐射：相互独立、互不相关。相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激受激辐射产生的光子与引起受激 辐射的外来光子具有相同的特征辐射的外来光子具有相同的特征 （频率、相位、振动方向及传播方（频率、相位、振动方向及传播方 向均相同）。向均相同）。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。不相干不相干相干光相干光说明：说明：1.1.SP

28、E,STA,STE SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别三种过程同时存在，只是有强弱差别2.2.两种辐射比较两种辐射比较 (热平衡情况下热平衡情况下)答案：答案：SPESPE（自发辐射）占绝对优势（自发辐射）占绝对优势单位时间单位时间STESTE增加的光子数密度增加的光子数密度单位时间单位时间STASTA减少的光子数密度减少的光子数密度112112221221nBnWnBnW3.两种受激跃迁比较两种受激跃迁比较 (热平衡情况下热平衡情况下)9332121102118kThspsteehcABIIhBnIhAnIstesp212212T=1500K,=500nm 空腔4.自发

29、辐射光子可作为引起受激辐射的外来光；自发辐射光子可作为引起受激辐射的外来光；起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的 自发辐射。自发辐射。)(STESTA吸收占主导受激因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。1122nffn 热平衡时，激光器的基本思想 封闭腔中光子简并度 极低 开腔中的激活介质能对光进行受激辐射放大（而不是受激吸收）。21213212138BWEnhhh mAAc n 开腔能够提高光子简并度 （通过腔对光波模式的选择）1 1、受激辐射占优势的条件、受激辐射占优势的条件 粒子数反转分粒子数反转分

30、布布12nn 实现粒子数反转的工作物质称为实现粒子数反转的工作物质称为增益（或激活）介质增益（或激活）介质。粒子数反转分布是产生激光的前提条件。粒子数反转分布是产生激光的前提条件。如何实现粒子数反转分布？如何实现粒子数反转分布？211212ffennKTEEBolzman分布反转分布反转分布12nn En1n2n3n1E2E3E 只有依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才只有依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，实现粒子数反转。能打破热平衡，实现粒子数反转。粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大2 2、激活介质对光的增益与损耗、激活介质对光的增益与损耗增益系数：增益系数：描述

31、激光工作物质放大特性的参数。描述激光工作物质放大特性的参数。激活介质：指已经处于粒子数反转状态的工作物质。激活介质：指已经处于粒子数反转状态的工作物质。定义：光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。定义：光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。0z增益介质I(z)I00zdz薄层 1dI zG zdzI z 00G zI zI e当当 不随不随 变化变化,是常是常数时，有：数时，有：Gz 212121dI zW nW nh dz 2121dI zB hznznzdz 2121G zB hnznzn(z)21ff 0z增益介质I(z)I00zdz薄层211221WWB G zn z 净净ST

32、E光子数密度光子数密度 G zn z 证明：证明：1dI zG zdzI zIc（介质的折射率）（介质的折射率）损耗系数损耗系数 a a 激活介质中不仅存在增益，还有损耗。激活介质中不仅存在增益，还有损耗。损耗系数单位长度光强衰减的百分比。（负增益系数）损耗系数单位长度光强衰减的百分比。（负增益系数）G zIdzzdIz1 0zI zI eG&并存的介质中，光强的变化 dI zG zI z dz解微分方程并有 00GzI zI edz薄层G&（1 1）平均单程损耗率）平均单程损耗率定义：定义：10II21lnI I0 0：初始光强，：初始光强，I I1 1：往返一周后的光强。：往返一周后的光强

33、。分类：分类：选择性损耗：损耗大小与横模有关，如衍射损耗；选择性损耗：损耗大小与横模有关，如衍射损耗；非选择性损耗：损耗大小与横模无关，如输出损耗。非选择性损耗：损耗大小与横模无关，如输出损耗。3 3、无源腔损耗、无源腔损耗201eII或或10II21ln2102lneIIln210eII201eII证：证：计算：计算：衍射损耗：衍射损耗：由于衍射作用反射镜不能覆盖衍由于衍射作用反射镜不能覆盖衍射光而造成的损耗。射光而造成的损耗。2aLL L：腔长：腔长,：光波长：光波长,a,a：反射镜半径：反射镜半径证：证：2a2a2(a+L2(a+L)L L设初始光强为设初始光强为I I0 0则单程光强为

34、：则单程光强为：20LaaIIaL2aL12aLaII20lnlnlna22aLa2aL2)0(,)1(xxxln输出损耗：输出损耗：由于反射镜透射光而造成的损耗。由于反射镜透射光而造成的损耗。1 21ln2rr 2Tr r1 1、r r2 2:两反射镜的反射率两反射镜的反射率T:T:半反镜的透射率半反镜的透射率（r1=1,T=1-r2 0.05）或或证：证：设初始光强为设初始光强为I I0,0,则往返一周光强为则往返一周光强为I I1 1=I=I0 0r r1 1r r2 2001 210 1 2111lnlnln222IIrrII rr T)(121ln当T 下能级粒子数）下能级粒子数）产

35、生激光的条件：产生激光的条件：（2 2）增益）增益 损耗损耗 即自激振荡的阈值条件即自激振荡的阈值条件红宝石激光器=694.3nm一、结构 的反射率是100，的反射率为4070（称为半反射），是工作物质红宝石（），由 单晶中掺入少量三价铬 离子（0.05%）组成。1M2MRRuby3Cr32OAl 是个氙灯（石英管内是氙气），可以通过数百安上千安的电流，发出极强的可被红宝石中 离子吸收的光谱，氙灯的作用是把电能转化为可被 吸收的光能。L3Cr3Cr 是一高压电容，作用是放电时为氙灯提供大电流，因它的作用是向氙灯提供能量，所以又叫储能电容，其容量一般为数百上千 ，耐压数千伏。CF 是一椭圆反射镜

36、（又称聚光镜），光从一个焦点出来一定被反射到另一焦点。KC 是一小变压器，变压比数百至上千，次级绕在氙灯上，初级和小电容 及可控硅连接，可控硅的触发端控制什么时候发射激光。T)1(FCCCL1M2MKR1、打开高压直线电源，直流电源将向储能电容 充电。中储能：。电容中的电荷不可能从氙灯上流过，因为氙灯的着火电压有上万伏。这时高压便加在氙灯两端，氙灯并不放电发光。CC212CV二、工作过程CCTFC12、上充电。其通路为：220V电压源 的初级地 。4.椭圆聚光镜（腔）把氙灯光汇聚到红宝石棒上。3.完成1和2后，在P点加3V10V电压，可控硅即导电导通。通过可控硅、T的初级放电形成电流。在变压器

37、的次级感生出上万伏高压，高压使氙灯上的氙原子电离，从绝缘体变成导体，储能电容 C 内储存的数千焦耳的能量流过氙灯。此时氙灯仅有不足1的电阻。数千伏电压产生数千安的电流。氙灯光比照相机闪光灯亮得多。1CPC 实际是一个能带（能量范围很大），所以 离子可吸收氙灯光中一个较宽频带的光子而跃迁到 能级上。3E3Cr3E5.红宝石棒中的 离子将吸收氙灯光中的绿光光子，把光子的能量变成自己的内能，由基态（能量最低状态）能级跃迁到高能级。红宝石中 的能级如下图所示。一般把基态能级用 表示，高能级用 表示。从 跃迁到 ，吸收光子的能量：。3Cr3Cr3Cr1E2E1E3EhEE13 红宝石中的 能级简图3Cr

38、1E2E 离子跃迁到高能级上后，不能久留（即能级寿命短）；10-9秒左右的时间即离开 。往哪里去，仍能回到基态？不，绝大多数将跃迁到另一能级 上。是个亚稳态（即稳定程度仅次于稳态的原子能级状态）。离子在这个态上存留的时间是310-3秒，比 长106倍。是个好地方，离子在这里不走了。离子从 的过程必须放出能量 ，这部分能量是通过碰撞方式传给红宝石晶体的，使晶体变热，红宝石粒子这种跃迁过程不发出光子，叫无辐射跃迁。3Cr23EE 3Cr3Cr3Cr1E2E3E2E3E2E23EE 6.到此，让我们别忘了，氙灯仍然在放光，所以大量的离子吸收氙灯光子从基态 跃迁到 ，又迅速地从 跃迁到 ，到了 就停下

39、来，使大量的 离子源源不断地被“抽运”到 （或被泵浦到 ）。氙灯的作用就象是一个泵，但这不是水泵，而是光泵，所以把氙灯又叫光泵（Light pumps）。3Cr3E2E1E3E2E2E2E7.设想一个光子（能量 ）进入红宝石并和 离子碰撞，在碰撞中可能发生两种情况：(1)如果所碰到的 离子在基态，离子将光子吸收跃迁到高能态 ，这叫受激吸收。12EE 3Cr3Cr3Cr2E3Cr(2)如果碰到的 离子在激发态，离子发射出和入射光一样的光子，这就是受激辐射，也就是说光是被吸收还是激发出一个新光子完全取决于 离子所在的能级。3Cr3Cr从几率的概念看问题。如果高能级 上的粒子数 小于低能级 上的粒子

40、数 ，则光子被吸收的可能性要大于再激发出一个新光子的可能性；如果 ，则很可能再激发出一个新光子的可能性大于光子被吸收的可能性。定义 叫粒子数反转（粒子布居数反转），所谓反转是指本来 离子基本都在 上（），现在 ，所以叫粒子分布（布局）反转了。当大量光子进入一个粒子布居数反转的红宝石时，将有多于半数的光子保存了自己并激发了新光子，少于半数的光子被吸收，宏观来看光被放大了，这就是光放大。红宝石能使光放大叫对光有增益。粒子布局数反转是实现光放大的必要条件之一。2N12NN 21NN 1E3Cr2E12NN 1N1E12NN 8.光泵发出的光越强，可在很短的时间内把大量 离子从基态 抽运到亚稳态 （经

41、 ），从而实现粒子数反转，的能级寿命越长，越容易实现粒子布局数反转。3Cr3E2E1E2E9.一些上的粒子因自发辐射辐射出694.3nm的光子，这些光子中总有一些是沿红宝石轴向的光被红宝石放大、又被反射镜来回反射，反复放大，光强越来越强，这就是激光。两反射镜的作用相当于电子振荡线路中的反馈回路。一切激光器都要有光的反馈光路，也就是说一切激光器都必须有一个谐振腔（有两片反射镜）。10.在电子线路中电子振荡器必须满足幅值条件，振荡器的放大倍数必须大于信号沿反馈回路一周的损失。在激光器中，这一条件也必须得到满足，叫做：光在沿谐振腔往返一周所获得的增益，必须大于光在谐振腔中的往返一周所受的损失。即增益

42、大于损耗。增益由红宝石提供，损耗主要是由于谐振腔半反射镜漏光引起的。定义：(1)刚刚能使红宝石激光器形成激光振荡的储能电容器的能量叫红宝石激光器的能量阈值。(2)能使激光器形成激光振荡的增益系数叫增益系数的阈值（增益系数即单位长度介质放大倍数）。11.当电容的电压下降到不能维持氙灯点燃时，离子的抽运停止了，激光发射也就终止了。激光形成过程图示三、红宝石激光器输出光的特性 红宝石激光器是典型的固体激光器，一个普通红宝石激光器输出光的特性是：多脉冲、宽光谱、高功率。具体可作如下描述：1.时间特性：激光呈尖峰脉冲结构。如下图所示。(1)氙灯点燃0.5ms后，后开始出现激光。(2)然后是一系列尖峰脉冲

43、，两尖峰间约数微秒间隔，有数千脉冲。形成脉冲的原因：一旦激光形成了，就存在着增加粒子反转和减小粒子反转两个过程。氙灯积累激光减小无光再积累再出光再减小再无光氙灯熄灭。2.谱线宽度：0.4 nm（2.4105 MHz），这样的宽度比 HeNe 激光宽度（10-5 nm）要宽得多。相干性比较差，但在动态全息摄像中又需要它。3.输出功率高，如果使用调 Q 技术可以使功率可达到数万、数十万、数百万兆瓦。四、形成激光振荡的基本问题从红宝石激光器工作过程看，什么问题是要引起关注的呢？（1）泵浦方法（如何把粒子运到激光上能级以产生粒子数反转）。（2）激光工作物质的增益问题（增益的产生，以及增益大于损耗）。（

44、3）激光谐振腔（提供反馈回路，实现多次往复的光放大）。632.8nm1.15 m3.39 m有三种波长有三种波长不可见不可见一、一、基本结构基本结构（1）M1、M2是两个反射镜，构成一个光学谐振腔。是两个反射镜，构成一个光学谐振腔。M1是是平面反射镜，镀七层介质膜，属平面反射镜，镀七层介质膜，属/4 膜系（或硫化锌一氧化镁，膜系（或硫化锌一氧化镁，或氧化锆一氧化硅）。反射率或氧化锆一氧化硅）。反射率R9598。M2是凹面反是凹面反射镜，镀射镜，镀17层介质膜，反射率层介质膜，反射率R100，也属，也属1/4入膜系（入膜系（/4膜系中的膜系中的有三种波长：有三种波长：6328、1.15m、3.3

45、9m）。你希望这）。你希望这个个He-Ne激光器出什么波长就镀什么膜。激光器出什么波长就镀什么膜。激光激光（2）激光器（除反射镜）激光器（除反射镜M1、M2外的全部）是硬质玻璃（或外的全部）是硬质玻璃（或石英玻璃）壳，由人工吹制而成。石英玻璃）壳，由人工吹制而成。S内充内充He气和气和Ne气，气，He：Ne7：1，总气压为几托。，总气压为几托。（3）毛细管（）毛细管（A）：一根玻璃管，内径）：一根玻璃管，内径0.82mm。当电极加。当电极加上高压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒上高压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。子数反转。（4）阴极区。区内装有阴级）阴极

46、区。区内装有阴级D，一般都用铅做成筒状，因为铅，一般都用铅做成筒状，因为铅的电子发射率高和溅射率小，筒状是为了增加电子发射面积和的电子发射率高和溅射率小，筒状是为了增加电子发射面积和减少阴极溅射（气体发生自激放电，从阴极发射出的原子或原减少阴极溅射（气体发生自激放电，从阴极发射出的原子或原子团可沉积在阳极或真空室的壁上，这种溅射称为阴极溅射）。子团可沉积在阳极或真空室的壁上，这种溅射称为阴极溅射）。（5）阳极（）阳极（C）：是一直径为）：是一直径为2mm的钨杆（棍）。的钨杆（棍）。（6）高压直流电源：能输出几千伏电压，电流从）高压直流电源：能输出几千伏电压，电流从3mA10mA。这种这种He-

47、Ne激光器具有全封闭结构，叫内腔式激光器。激光器具有全封闭结构，叫内腔式激光器。（7）布氏窗：输出线偏振光，垂直于纸面的光反射出腔外。）布氏窗：输出线偏振光，垂直于纸面的光反射出腔外。二、氦氖激光器放电通路和所需电压和电流二、氦氖激光器放电通路和所需电压和电流 1.打开高压直流电源，电源输出一数千伏直流高压。打开高压直流电源，电源输出一数千伏直流高压。2.直流高压加在正负极上，通路是：正极直流高压加在正负极上，通路是：正极A区（毛细管）区（毛细管）C区区D负极负极R（大电阻，几十（大电阻，几十K）电源电源正极。正极。高压使高压使He-Ne气体击穿导电，电流（几气体击穿导电，电流（几mA）沿上述

48、回路流）沿上述回路流动放电气体呈橙红色，口头上说：激光器点着了。动放电气体呈橙红色，口头上说：激光器点着了。3.气体击穿前，气体击穿前，He-Ne激光器正负极间电压为数千伏，气体激光器正负极间电压为数千伏，气体击穿后，大电阻击穿后，大电阻R分去部分电压，在长管的两极间有数百伏分去部分电压，在长管的两极间有数百伏电压，流过电压，流过He-Ne激光的电流比较小，激光的电流比较小，410mA。4.激光器点着后，激光器点着后，Ne原子立即被抽运到高能级，实现粒子数原子立即被抽运到高能级，实现粒子数反转并形成增益大于损耗的状态，立即出现激光束。反转并形成增益大于损耗的状态，立即出现激光束。三、氦氖激光器

49、三、氦氖激光器632.8nm波长激光激发机理波长激光激发机理Ne基态的电子组态为：基态的电子组态为：622221PSSNe原子基态能级为：原子基态能级为：01S受激时，受激时，2P壳层中的一个电子跃迁到较高能级态而形壳层中的一个电子跃迁到较高能级态而形成激发态。成激发态。Ne原子电子激发组态可以为：原子电子激发组态可以为：SPSS3221522PPSS3221522SPSS4221522PPSS4221522SPSS5221522习惯上习惯上Ne原子的能级用帕刑符号表示，原子的能级用帕刑符号表示，Ne原子激发组态原子激发组态与帕刑符号的关系用下图表示：与帕刑符号的关系用下图表示：电子组态电子组

50、态 帕邢符号帕邢符号1S2P2S3P3S子能级子能级1S51S41S31S22P102P92P82P72P62P52P42P32P22P12S52S42S32S23P103P93P83P73P63P53P43P33P23P13S53S43S33S2SP 325PP 325SP 425PP 425SP 525所谓激光激发机理就是激光器和产生激光有关的各能级所谓激光激发机理就是激光器和产生激光有关的各能级的跃迁过程。的跃迁过程。632.8nm激光输出激光输出4223PS 3.39 激光输出激光输出m4233PS 1.15 激光输出激光输出m4222PS 未未画画出出1、和产生、和产生632.8nm