激光原理与应用.ppt

激光原理激光原理一一 光源的分类光源的分类激光激光非线性光学器件非线性光学器件非相干光源包括：（按原理分类）非相干光源包括：（按原理分类）热辐射源热辐射源 太阳、黑体、白炽灯。太阳、黑体、白炽灯。气体放电光源气体放电光源 汞灯、氙灯、空心阴极灯、氘灯。汞灯、氙灯、空心阴极灯、氘灯。固体发光光源固体发光光源 场致发光光源、发光二极管、分光光度计光源。场致发光光源、发光二极管、分光光度计光源。相干光源包括：相干光源包括：激光激光 气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。器、等离子激光器。非线性光学器件非线性光学器件 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、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、受激拉曼散射和频与差频发生器、受激拉曼散射。一、太一、太阳阳直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距离是1.496 1011 m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533。大大气层气层外的外的太太阳光谱能阳光谱能量分布相量分布相当当于于5900K左左右的黑右的黑体辐体辐射。其平均射。其平均辐辐亮度亮度为为2.01107Wm-2sr-1热辐热辐射源射源二二、卤钨灯卤钨灯 灯灯泡內充入泡內充入卤钨卤钨循循环剂环剂（如（如氯化碘、溴化硼等），在一氯化碘、溴化硼等），在一定定温温度下可以形成度下可以形成卤钨卤钨循循环环，即蒸即蒸发发的的钨钨和玻璃和玻璃壳壳附近的附近的卤卤素合成素合成卤钨卤钨化合物，而化合物，而该该卤钨卤钨化合物化合物扩扩散到散到温温度度较较高高的的灯丝灯丝周周围时围时，又分解成，又分解成卤卤素和素和钨钨。这样这样，钨钨就重新沉就重新沉积积在在灯丝灯丝上，而上，而卤卤素被素被扩扩散散到到温温度度较较低的泡壁低的泡壁区区域再域再继继续与钨续与钨化合。化合。这这一一过过程程为钨为钨的再生循的再生循环环。特点：色温3000K左右；光谱范围宽，但红外光谱部分能量过高。卤钨灯卤钨灯G气体放电光气体放电光源源图图2-8是常用是常用气气体体放放电灯电灯的外的外形形图图。表。表2-2列列出了常用的出了常用的气气体体放放电灯电灯的的种种类类、性能以及、性能以及它它们们的主要的主要应应用用领领域。域。气体气体放放电灯电灯的的基本结构是相基本结构是相似的似的.原理原理:受激电子的自发辐射受激电子的自发辐射.一、汞一、汞灯灯1.低低压压汞汞灯灯 汞汞灯灯在低在低压压放放电时电时主要主要辐辐射二射二条条共振共振辐辐射射线线：253.7nm和和185.0nm。所。所谓谓共振共振辐辐射射线线是指是指从从激激发态跃迁发态跃迁到基到基态时态时发发出的出的辐辐射。射。当当汞蒸汞蒸气压为气压为0.8Pa（610-3mmHg)，玻，玻璃璃壳温壳温度度40时时，253.7nm的的辐辐射效率最大，射效率最大，约约占占输输入入电电功率的功率的60%，而可，而可见见光只占光只占2%。它的光。它的光谱谱分布如分布如图图2-9所示。所示。可见光波长：可见光波长：400760 nm2.高高压压汞汞灯灯当当汞汞灯灯內的蒸內的蒸气压达气压达到到1 5大大气压时气压时，汞，汞灯电灯电弧的弧的辐辐射光射光谱谱就就会产会产生明生明显变显变化，光化，光谱线谱线加加宽宽，出，出现现弱的弱的连续连续光光谱谱，紫外，紫外辐辐射明射明显减显减弱，而可弱，而可见辐见辐射射增加，其光增加，其光谱谱分布如分布如图图2-9所示。所示。TiO2在紫外光催化上的应用在紫外光催化上的应用 点点燃燃时时，灯灯內汞蒸內汞蒸气压达气压达到到1 20MPa（约约10 200个个大大气压气压），），这样灯这样灯的的辐辐射光射光谱与谱与高高压压汞汞灯灯相比有明相比有明显显的的不同：紫外不同：紫外辐辐射射减减少，可少，可见辐见辐射光射光谱线较宽谱线较宽，连续连续部部分增加，分增加，并并且且红红外光外光谱辐谱辐射增射增强强。3.球形超高球形超高压压汞汞灯灯4、钠灯钠灯5、氙、氙灯灯氙氙灯灯是由充有惰性是由充有惰性气体气体氙的石英泡氙的石英泡壳壳內內两个钨电极两个钨电极之之间间的高的高温温电电弧放弧放电电，从从而而发发出出强强光。高光。高压压氙氙灯灯的的辐辐射光射光谱谱是是连续连续的，的，与与日光的日光的光谱能光谱能量分布相接近（如量分布相接近（如图图2-10），），色色温温为为6000K左右，左右，显显色色指指数数90以上，因此有小太以上，因此有小太阳阳之之称称。辐射源发射光的颜色与黑体在辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同某一温度下辐射光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该辐射则黑体的这一温度称为该辐射源有色温。源有色温。某光源照射物体时，物体呈现某光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。称为该光源的显色性。6、金属卤化物灯金属卤化物灯7、空心、空心阴极灯阴极灯空心空心阴极灯属于阴极灯属于冷冷阴极阴极低低气压气压正常正常辉辉光放光放电灯电灯。该灯该灯的的阴极阴极由金由金属属元素元素或其它合金或其它合金制制成空心成空心圆圆柱形，柱形，圆环圆环形形阳极阳极是用是用吸吸气气性能很好的性能很好的锆锆材料材料制制成的。成的。是原子吸收分光光度计必不可少的光源，用于对微量是原子吸收分光光度计必不可少的光源，用于对微量金属元素吸收光谱作分析，以及光谱仪器波长定标。金属元素吸收光谱作分析，以及光谱仪器波长定标。8、氘、氘灯灯 氘氘灯灯是一是一种热阴极种热阴极弧光放弧光放电灯电灯，泡，泡壳壳內充有內充有高纯度高纯度的氘的氘气气。氘。氘 是是氢氢的同位素，又叫重的同位素，又叫重氢氢。工作時先加。工作時先加热灯丝热灯丝，产产生生电电子子发发射，射，当阴极当阴极加高加高压后压后，氘原子在，氘原子在灯灯內受高速內受高速电电子的碰撞而激子的碰撞而激发发，从阴极从阴极小小圆圆孔中孔中辐辐射出射出连续连续的紫外的紫外光光谱谱（185 500nm）。）。氘氘灯灯的紫外的紫外线辐线辐射射强强度高、度高、稳稳定定性好、性好、寿寿命命长长，因此常用作各因此常用作各种种紫外分光光度紫外分光光度计计的的连续连续紫外光源。紫外光源。1 激光的发展与现状激光的发展与现状什么是激光？LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation激光：受激辐射光放大死光：叶永烈珊瑚岛上的死光镭射：LASER的音译1.4.2激光原理激光原理1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；1947年，兰姆(Lamb)雷瑟福(Reherford)在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，卡斯特勒(Kastler)提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms1951年,汤斯(Townes)提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。for fundamental work in the field of quantum electronics,which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle 突破1958年肖洛(Schawlow)和Townes在Phy.Rev.上发表论文“Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1960年5月，休斯实验室的梅曼梅曼(Maiman)研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪.激光发展的现状发展更大为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W）。更小各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；激光发展的现状激光发展的现状更集成 各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。激光发展的现状更快更高的调制频率：GHz；更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；更多样化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；1、光子的基本性质、光子的基本性质一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！一、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、光子的能量：、光子的能量：2、光子的质量：、光子的质量：3、光子的动量：、光子的动量：4、光子有两个独立的偏振态。、光子有两个独立的偏振态。1.4 激光原理激光原理5、光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量、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光子的集合服从玻色爱因斯坦分布。处爱因斯坦分布。处于同一状态的光子数目没有限制，这是光子于同一状态的光子数目没有限制，这是光子与其他服从费米统计分布的粒子的重要区别。与其他服从费米统计分布的粒子的重要区别。二、光的粒子性和波动性的统一：利用量子电动力学的理二、光的粒子性和波动性的统一：利用量子电动力学的理论，将电磁场量子化。论，将电磁场量子化。1、电磁场的本征模式：具有基元能量、电磁场的本征模式：具有基元能量 和基元动量和基元动量 的物的物质单元即属于同一本征模式的光子。质单元即属于同一本征模式的光子。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、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）。一模式（或状态）。3、处于同一模式或同一壮态的内的光子数目是没有限制的。、处于同一模式或同一壮态的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、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。性叠加。三、光波模式三、光波模式从波动性来讨论从波动性来讨论1、单色平面波单色平面波表示为：2、自由空间中的电磁波、自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在任意波矢的平面波均可以存在!3、受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立的具有特定、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波矢 的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！2 光波模式与光子相格 在有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立存在的、具有特定波矢k的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光波模式。考虑如图所示的金属空腔，任何能够存在的驻波应该满足以下条件：由波矢的表达式 可以得到波矢的三个分量：如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的模式，每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求出在该空间中一个模式占据的体积为：其中m、n、l为正整数4、光波模式：能存在于腔内的以波矢、光波模式：能存在于腔内的以波矢 为标志的电磁为标志的电磁波模式。不同模式以波模式。不同模式以 区分，同一区分，同一 又由于对应两个又由于对应两个独立的偏振态，则同一波矢独立的偏振态，则同一波矢 对应两个不同偏振方向对应两个不同偏振方向的光波模式。的光波模式。波矢在 范围内的波矢空间体积为：则在该空间内所包含的光波模式数为：由波矢的定义有：可以得到在体积为V的腔内，频率 附近 间隔内的模式数P为：因此单位体积内，频率 附近，单位频率间隔的模式数为：1、经典力学中粒子运动状态的描述、经典力学中粒子运动状态的描述用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐标（标（x,y,z,px,py,pz）精确描述！）精确描述！2、光子运动状态的描述、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！受测不准关系的限制，其坐标和动量不能同时准确测定！（1）一维运动时：在）一维运动时：在 的二维相空间面积元内的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。粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。四、光子态四、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在频率很高的光频波段,由于由于E1,则则g2=g1 热热平平衡衡时时,处处于于高高能能级级的的原原子子数数总总是是低低于于处处于于低低能能级级 的原子数的原子数.即即因此因此将上式积分将上式积分,得得令令为单位时间由为单位时间由E2能级向能级向E1能级跃迁的几率能级跃迁的几率.则则能级的寿命能级的寿命 E2能级上的粒子数能级上的粒子数,在在dt 时间内自发跃迁到时间内自发跃迁到E1能级上能级上的粒子数为的粒子数为-dN2,则则 具具有有时时间间的的量量纲纲,它它反反映映了了粒粒子子平平均均在在E2能能级级上上停停留留的的时时间的长短间的长短,叫做粒子在该能级上的平均寿命叫做粒子在该能级上的平均寿命,简称简称自发辐射自发辐射寿命寿命 由于受激辐射和受激吸收是由于外来光引起的，故单由于受激辐射和受激吸收是由于外来光引起的，故单位时间的跃迁几率应与原子周围该频率的辐射能量密度成位时间的跃迁几率应与原子周围该频率的辐射能量密度成正比正比.因此因此称为爱因斯坦系数称为爱因斯坦系数.爱因斯坦系数爱因斯坦系数设设dN21为为dt时间内由时间内由E2自发跃迁到自发跃迁到E1能级上的粒子数能级上的粒子数,则则 在热平衡状态下在热平衡状态下,两能级之间两能级之间,单位时间受激吸收的光子单位时间受激吸收的光子数应等于受激发射和自发发射的光子数数应等于受激发射和自发发射的光子数.因此因此或或解出解出玻耳兹曼正则分布玻耳兹曼正则分布:上式与前式相比较，得上式与前式相比较，得要使上式两端对任何要使上式两端对任何h/kT之值之值都成立都成立,相应系数必须相等相应系数必须相等.即即 上面两关系式叫做上面两关系式叫做爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式,虽然是在热平虽然是在热平衡条件下推出的衡条件下推出的,但它对普遍情况仍是适用的但它对普遍情况仍是适用的.是单位时间粒子由是单位时间粒子由E1能级跃迁到能级跃迁到 E2能级上的几率能级上的几率,是单位时间粒子由是单位时间粒子由E2能级跃迁到能级跃迁到E1能级上的几率能级上的几率.二、实现光放大的必要条件二、实现光放大的必要条件进行泵浦使工作物质处于集进行泵浦使工作物质处于集居数反转居数反转1、集居数：各能级上的原子数。、集居数：各能级上的原子数。2、要产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内的受、要产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内的受激辐射光子数大于受激吸收的光子数。即：激辐射光子数大于受激吸收的光子数。即：3、热平衡状态下无法实现受激辐射的光放大：可见处于基态、热平衡状态下无法实现受激辐射的光放大：可见处于基态(低能态低能态)的粒子总是比处于激发态的粒子总是比处于激发态(高能态高能态)的粒子多（高少低多）的粒子多（高少低多），所以受激吸收占优势，其中传输的光不会被放大，所以受激吸收占优势，其中传输的光不会被放大4 4、实现光放大的必要条件、实现光放大的必要条件向物质提供能量，即进行泵向物质提供能量，即进行泵浦浦(或激励或激励)，打破热平衡！使工作物质处于集居数反转，打破热平衡！使工作物质处于集居数反转由玻耳兹曼正则分布由玻耳兹曼正则分布:因因E2E1,N2N1 a，或曲面反射镜的曲率半，或曲面反射镜的曲率半径径R和镜线度和镜线度a满足：满足：R a时，有：时，有：L1则初步简化后的自再现模方程为：则初步简化后的自再现模方程为：六、复常数六、复常数 的物理意义的物理意义e-：单程渡越的振幅衰减！：单程渡越的振幅衰减！越大，则衰减愈厉害，越大，则衰减愈厉害，若若 0，则模无损耗传播。，则模无损耗传播。表示每经单程渡越后模的相位滞后，表示每经单程渡越后模的相位滞后，愈大，相位滞后愈愈大，相位滞后愈多。多。(1)对称开腔中模的单程损耗对称开腔中模的单程损耗d：自再现模单程渡越后的相：自再现模单程渡越后的相对功率损耗。对功率损耗。(2)对称开腔中模的单程总相移对称开腔中模的单程总相移若满足：若满足：一般的谐振条件一般的谐振条件注意：若对非对称开腔，则应按照往返一次进行讨论！注意：若对非对称开腔，则应按照往返一次进行讨论！结论：结论：的模反映单程或往返一次的相对功率损耗，辐角的模反映单程或往返一次的相对功率损耗，辐角反映单程或往返一次的总相移，从而决定谐振频率。反映单程或往返一次的总相移，从而决定谐振频率。七、分离变量法七、分离变量法1、求解自再现模方程的思路、求解自再现模方程的思路(1)由开腔的具体结构，给出方程的具体形式并做简化由开腔的具体结构，给出方程的具体形式并做简化具体做法：由对称性引入适当坐标系具体做法：由对称性引入适当坐标系由由 、a、L的数量级关系的数量级关系，将积分核，将积分核 做泰勒展开做泰勒展开舍去展开式中的小量，从而将方程简化舍去展开式中的小量，从而将方程简化(2)进行变量分离，将化简后的积分方程化为两个单元函数的进行变量分离，将化简后的积分方程化为两个单元函数的积分方程。积分方程。2、可行性分析、可行性分析对矩形及圆形平面镜腔、共焦球面或抛物面腔和一般球面镜腔等对矩形及圆形平面镜腔、共焦球面或抛物面腔和一般球面镜腔等几种常见的几何结构，以上的简化和变量分离是可能的！几种常见的几何结构，以上的简化和变量分离是可能的！3、方程简化和分离变量的事例分析、方程简化和分离变量的事例分析(1)对称矩形平面镜腔对称矩形平面镜腔(2a2b)数量关系：数量关系：若满足：若满足：可做菲涅耳近似：可做菲涅耳近似：则模方程变则模方程变为：为：分离变量，令：分离变量，令：则积分核为：则积分核为：模方程变为两形式完全一样的方程，求一个即可：模方程变为两形式完全一样的方程，求一个即可：方程的解有多个，其中第方程的解有多个，其中第m和第和第n个分别为个分别为vm(x)和和vn(y)，m和和 n为相应的复常数，则：为相应的复常数，则：积分本征值方程积分本征值方程镜面上的场分布为：镜面上的场分布为：相应的复常数相应的复常数为：为：本征值方程存立的条件本征值方程存立的条件：m 和和 n 取一系列特定值取一系列特定值本征值。本征值。对应本征值对应本征值 m 和和 n 的满足方程的的满足方程的场分布函数场分布函数vm(x)和和vn(y)为本征函为本征函数。数。本征函数：决定本征函数：决定镜镜面上面上的的场分布场分布，包，包括括场的振幅和相位场的振幅和相位分布分布。本征值：决定自本征值：决定自再现模的传输特性再现模的传输特性，包括，包括模模的衰减、相移、谐振频的衰减、相移、谐振频率率等。等。镜面上场的振镜面上场的振幅分布幅分布。镜面上场的镜面上场的位位相相分布分布。求解衍射积分本征值方程的目的意义：求出本征值和本征函求解衍射积分本征值方程的目的意义：求出本征值和本征函数，从而数，从而决定开决定开腔自腔自再现模的全部特征再现模的全部特征。激光模式的符号：激光模式的符号：TEMmn，TEM00是基横模是基横模。m、n的的数值正好分数值正好分别等于光强别等于光强在在x，y方向方向上的节线上的节线(光强为零光强为零的线的线)数目，数目，而且而且m、n的数值越大，的数值越大，光场也越向光场也越向外扩展。外扩展。畅想网络Imagination Network感感谢观看！看！文章内容来源于网文章内容来源于网络，如有侵，如有侵权请联系我系我们删除。除。