激光产生的基本原理.pptx

1.1 光是什么？光是什么？光学现象：光沿直线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。光的特性：波动性、粒子性观点：光是发光体发射出的微 小粒子，所以光是沿着 直线行进的。公元前5世纪17世纪末，18世纪初。光的微粒说1642-1772Sir Isaac Newton光的机械波动说观点：光是一种在“以太”的弹性介质中传播的机械波。解释：光的直线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振现象。17世纪末19世纪上半叶1629-1695 光的电磁说 观点：光波就是电磁波。根据：1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在。解释：光的反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散双折射等现象1865年麦克斯韦建立了光的电磁理论。光的波动本性可由麦克斯韦方程组完美描述18311879(James Clerk Maxwel)英国物理学家-c c（光速）（光速）（波长）（波长）*（频率）（频率）可见光频率可见光频率4.3*104.3*101515HZHZ（红光（红光)7.5*10)7.5*101515HZHZ 光能光能E=E=h h 波的能量与频率成正比波的能量与频率成正比无线电波可见光波长 400nm-760nm光谱图中最短的射线波长 0.1nm最长的无线电波波长 cm-m1905年爱因斯坦提出光子理论和光的波粒二象性。将光解释成一种能量的集合 光子 =h。波粒二象性是一切基本粒子所共有的属性。Albert Einstein1879-1955*光除了具有波动性外，还具有粒子性。1900年普朗克提出能量量子化假设,产生了能量量子化概念.Max Planck1858-19471.2 对光的描述？(1)振动振动：一个物理量在其平衡位置（或平均 值）附近作周期变化。简谐振动:振动的物理量随时间t 的变化具 有周期性，且在每个周期中都按 正弦或余弦函数规律变化。1.2-1光是光波振动方程式：振动方程式：A-振幅；振幅；-时间周期；时间周期；-时间频率时间频率 -时间圆频率时间圆频率,表示在表示在2 时间内的振动次数时间内的振动次数(t+o)-简谐振动的位相。简谐振动的位相。、和和 间的关系：间的关系：振动方程式：振动方程式：o -是是 t=0时刻的位相值时刻的位相值，称为初位相称为初位相(2)(2)波波动动波场：波动中被传播的是一个分布在某波场：波动中被传播的是一个分布在某 空间范围、随时间变化的物理量空间范围、随时间变化的物理量 E=(t,r)，所以一个波动过程也称所以一个波动过程也称 为一个波场。为一个波场。波函数波函数:描述波动过程的函数。是描述波动过程的函数。是r 和和 t 的函数。的函数。波动：振动在空间的传播。波动：振动在空间的传播。(3)一维平面一维平面简谐波的波函数简谐波的波函数其中其中:,v ,-波长波长.波动的基本特点：具有时空周期性。波动的基本特点：具有时空周期性。t 增加到增加到 nT 时，振动重复原来的状态时，振动重复原来的状态Z1和和 Z1+n 的两点具有相同的振动态的两点具有相同的振动态时间周期性和空间周期性通过时间周期性和空间周期性通过V联系在一起联系在一起比较比较时间圆频率时间圆频率-长度内的周期数长度内的周期数空间圆频率空间圆频率-长度内的波长数长度内的波长数=V T真空中介质中波波 矢矢 、是是对对沿沿传传播播方方向向而而言言的的空空间间周周期期和空间圆频率。和空间圆频率。波动除考虑振动方向外，还要考虑波动除考虑振动方向外，还要考虑波的传播方向。波的传播方向。(4)球面简谐波球面简谐波a：波源强度即单位距离处的振幅。：波源强度即单位距离处的振幅。a/r：距球心：距球心r处处P点的振幅。点的振幅。-kr：距球心：距球心r处处P点的位相，点的位相，P点的点的 位相比球心位相比球心O处落后处落后kr。(5)高斯光束高斯光束 定义光程：l=n l 均匀介质中:光程表示光在该介质中走过的 几何路程l与介质折射率n的乘积。因为 n=c/v，于是得 l/c=l/v可见：光程表示光在介质中通过真实路径 l 所 需的时间内，在真空中所能传播的路程（6）光程与位相）光程与位相光波位相由光程决定光波位相由光程决定 光程与位相的关系光程与位相的关系光程与位相光程与位相1.2-2 光强 实验证明，许多检测光的元件如光电池、光电实验证明，许多检测光的元件如光电池、光电倍增管、感光胶片，以及光化学作用光合作倍增管、感光胶片，以及光化学作用光合作用、眼睛的视觉等，它们对光的响应主要是由用、眼睛的视觉等，它们对光的响应主要是由电磁波中的电场所致。电磁波中的电场所致。光与物质相互作用时，以电场强度矢量为光与物质相互作用时，以电场强度矢量为主，用主，用E E表示光场，电矢量表示光场，电矢量E E叫做光矢量。叫做光矢量。（1）光矢量）光矢量只有遇到磁性特别强的材料（如铁磁体）时才只有遇到磁性特别强的材料（如铁磁体）时才需讨论磁矢量需讨论磁矢量H与物质的相互作用。与物质的相互作用。（2）光强）光强波动的传播总伴随能量的传播波动的传播总伴随能量的传播,电磁波的电磁波的能量传递用能流密度矢量（坡印廷矢量）能量传递用能流密度矢量（坡印廷矢量）S表示。表示。单位时间内通过垂直于能流方向的单位时间内通过垂直于能流方向的单位面积的能量。单位面积的能量。能流密度的大小：能流密度的大小：能流密度能流密度因为因为而且而且则则E E=Acos Acos(t-kr t-kr)光频率极高光频率极高101014 14 HZHZ量级量级,现有仪器无法现有仪器无法 测量瞬时值。测量瞬时值。测得的测得的“光波强度光波强度”是在观察仪器的响是在观察仪器的响 应时间应时间 内的内的 平均能流密度平均能流密度 (瞬时值瞬时值)对单色平面波对单色平面波平均能流密度（辐射通量密度）平均能流密度（辐射通量密度）S SS S 坡印廷矢量的时间平均值大小坡印廷矢量的时间平均值大小 光强：光的能流密度对时间的平均值。光强：光的能流密度对时间的平均值。I I=又因又因因因即即所以所以因因在同一种介质中在同一种介质中 I A2求相对光强大小时求相对光强大小时 I =A2辐射出射度：辐射出射度：能量从一个表面发出时的能量从一个表面发出时的 通量密度（辐出度）。通量密度（辐出度）。辐照度：辐照度：能量入射到某个表面时的通量能量入射到某个表面时的通量 密度。习惯称为光强。密度。习惯称为光强。（1）偏振现象与光的横波性）偏振现象与光的横波性a偏振现象偏振现象b光波是横波光波是横波 1.21.23 3光光波的偏振波的偏振态态P1 P2 P1 在垂直于光线传播方向的二维平面上，在垂直于光线传播方向的二维平面上，光矢量的振动状态。光矢量的振动状态。光波的偏振态光波的偏振态完全偏振光完全偏振光 ：线偏振，圆偏振和椭圆偏振：线偏振，圆偏振和椭圆偏振非偏振光：自然光非偏振光：自然光部分偏振光：偏振光与自然光的混合。部分偏振光：偏振光与自然光的混合。设：光沿设：光沿 z z 轴传播轴传播,研究研究xyxy平面内光矢量平面内光矢量的变化规律的变化规律(2)(2)光波的偏振态光波的偏振态a.线偏振光线偏振光线偏振光：对确定的传播方向，光波只有单一线偏振光：对确定的传播方向，光波只有单一 的振动方向。的振动方向。在垂直光线的平面上，光矢矢端轨迹为直线在垂直光线的平面上，光矢矢端轨迹为直线 称为线偏振光。称为线偏振光。光矢量都在一个振动面内光矢量都在一个振动面内又称平面偏振光又称平面偏振光光矢量振动方向始终不变振幅大小可改变。光矢量振动方向始终不变振幅大小可改变。沿沿Z Z轴方向传播的单色平面线偏振光的轴方向传播的单色平面线偏振光的波函数波函数振动面：振动面：矢量与矢量与 矢量构成的平面。矢量构成的平面。ExExyEyb圆偏振光圆偏振光圆偏振光：光波的光矢量大小恒定，方向圆偏振光：光波的光矢量大小恒定，方向 以以 匀速旋转，光矢量末端的匀速旋转，光矢量末端的 轨迹为一圆。轨迹为一圆。迎着光的传播方向看：迎着光的传播方向看：右旋圆偏振光：光矢量顺时针方向旋转右旋圆偏振光：光矢量顺时针方向旋转 左旋圆偏振光：光矢量逆时针方向旋转左旋圆偏振光：光矢量逆时针方向旋转 沿沿Z方向传播的圆偏振光可以看成是：在方向传播的圆偏振光可以看成是：在X，Y方向振动的，两个同频率，同振幅位相方向振动的，两个同频率，同振幅位相差为差为的两个线偏振光的合成。的两个线偏振光的合成。c.c.椭圆偏振光椭圆偏振光 迎着光线的传播方向看：迎着光线的传播方向看：右旋右旋椭椭圆偏振光：光矢量顺时针方向旋转圆偏振光：光矢量顺时针方向旋转 左旋左旋椭椭圆偏振光：光矢量逆时针方向旋转圆偏振光：光矢量逆时针方向旋转椭圆偏振光：椭圆偏振光：旋转旋转光矢量光矢量E，方向以角速度，方向以角速度做匀做匀速旋转，同时它的瞬时值速旋转，同时它的瞬时值 大小也做有规大小也做有规律的变化，其量端轨迹为一椭圆。律的变化，其量端轨迹为一椭圆。d.d.自然光自然光自然光：自然光：普通光源发出的光是完全非偏振光。普通光源发出的光是完全非偏振光。普通光源发光的特点普通光源发光的特点:振动方向、位相的随机性。振动方向、位相的随机性。光矢振动方向、大小相对于光矢振动方向、大小相对于 形成轴对称分布形成轴对称分布 自然光不显示偏振特性。自然光不显示偏振特性。z传播方向自然光的描述自然光的描述自然光可看成：振动方向垂直，振幅相等，自然光可看成：振动方向垂直，振幅相等，位相完全无关的两线偏振光的合成。位相完全无关的两线偏振光的合成。YXe.e.部分偏振光部分偏振光部分偏振光：光的振动各个方向都有，但不同部分偏振光：光的振动各个方向都有，但不同 方向振动的振幅大小不同。方向振动的振幅大小不同。部分偏振光可看成部分偏振光可看成 偏振光与自然光的混合偏振光与自然光的混合 一般图示一般图示 实际的光，无论是人造的还是自然的，都实际的光，无论是人造的还是自然的，都是不同程度的部分偏振光。是不同程度的部分偏振光。1.2-4 光是光子光子和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量。其粒子属性和波动属性有密切联系光子的动量：=/光子的能量：=光子的运动质量：m=/c2光是一种以光速c运动的光子流。u 光子具有两种可能的独立偏振状态，对光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。应于光波场的两个独立偏振方向。u 光子有自旋，自旋量子数为整数，服从光子有自旋，自旋量子数为整数，服从玻色玻色-爱因斯坦统计分布，是玻色子，处于同爱因斯坦统计分布，是玻色子，处于同一状态的光子数目没有限制。一状态的光子数目没有限制。1.3 光的产生？常见光源常见光源热光源：热光源：热光源是主要由热能转化为辐射 的光源，例如白炽灯是物体加热 到白炽程度而发光。非热光源：非热光源：例如气体放电光源，是电极之间的高压电场使得电路中的电子逸出电极并加速，与放电管中的气体原子相碰撞，使其跃迁到高能级，并随后自发辐射跃迁产生光波。热辐射热辐射：受热物体的辐射叫热辐射。为什么要研究热辐射？由于许多常见的辐射源，都是具有一定温度的热源，所以要研究热辐射。热辐射的基本规律研究1.任意物体在热平衡辐射条件下的辐射规律2.黑体辐射的规律普朗克公式、维恩位移 定律、斯忒藩玻尔兹曼定律。3.由上述定律得到黑体辐射源在某一温度下 的光谱辐出度和全辐出度。4.引入物体发射率，可把任意物体的辐射与 已知的黑体辐射联系起来。1.3-1 热辐射的基尔霍夫定律 实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率 之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它 吸收的能量。基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：其中其中1.3-2黑体的辐射谱绝对黑体：热辐射的理想模型。1 与，T无关 黑体的光谱辐出度 测量黑体的光谱辐出度即可得到普适函数 f（，T），任何物质的光谱辐出度即可求得。1.3-3 斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律1.斯特藩玻耳兹曼定律黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比。2.维恩位移定律黑体的光谱辐出度的极大值所对应的波长与绝对黑体温度成正比。根据维恩位移定律计算人体辐射的峰值波长为 9.4微米（T=310K）太阳辐射的峰值波长为0.48微米（T=6000K）太阳辐射的能量50%在可见和紫外区。人体辐射的能量几乎全部在红外区。3.黑体辐射的规律黑体模型黑体辐射谱实验曲线辐出度与光谱辐出度的关系意义见曲线意义见曲线热辐射的量子理论 普朗克黑体辐射公式 辐射场的能量密度表达式普朗克公式给出了黑体辐射的光谱分布公式 黑体的光谱辐出度表达式其中：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 温度为 T 的热平衡情况下 黑体分配到腔内每个模式 上的平均能量黑体辐射源的光子简并度光子简并度：每个光子态内的平均光子数光子简并度：每个光子态内的平均光子数【同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数光子数、处于同一相格内的光子数】激光是一种把光强和相干性统一起来的强相干光源；同一激光是一种把光强和相干性统一起来的强相干光源；同一状态的光子或同一模式的光波是相干的；相干光强决定于状态的光子或同一模式的光波是相干的；相干光强决定于具有相干性的光子数目或同态光子的数目。具有相干性的光子数目或同态光子的数目。1.4 光子与原子系统的相互作用1.原子能级及粒子数正常分布能级：原子（分子或离子）具有一系列不 同的运动状态，每一种运动状态都 有其确定的能量值。这些不同状态的能量值是分立的，称为能级。EE1E2excited stateground state基态：原子处于最低的能级状态基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高于基态的其它激发态：能量高于基态的其它能级状态能级状态简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目原子能级示意图原子能级示意图E0基态E1E2En激发态原子能级、简并度原子能级、简并度电子的能级，依次用电子的能级，依次用E0，E1，E2，En表示表示玻尔兹曼分布 原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布。设：原子体系的热平衡温度为T，则在能级 En上的原子数Nn为：NnEnE1E2可见：能级越高，粒子数越少。室温下，绝大部分粒子处于基态。辐射跃迁：原子由于发射或吸收光子而从一 个能级改变到另一个能级。发射或吸收光子的频率满足选择定则无辐射跃迁：原子只是通过与外界碰撞或其 它交换能量的过程，而从一个 能级改变到另一个能级。（即不吸收也不发射光子）2.光的自发辐射、受激辐射、受激吸收普朗克黑体辐射公式 黑体普朗克公式表示的黑体辐射，实际上是辐射场和构成黑体的物质、原子相互作用的结果。这种相互作用应包含原子的自发辐射、受激辐射、受激吸收三种过程。在实际系统中三种过程总是同时出现的，只是各自所占的比重不同。为简化问题，只考虑原子的两个能级E1、E2 单位体积处于两能级的原子数分别为N1、N2自发辐射自发辐射：在没有外来光子的情况下，原子自发跃迁发出的光子。N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则N2N1E2E1自发地、各自独立地、彼此无关地、无规律地特点：是个随机过程，各波列间没有固定位 相关系，可以有不同的偏振方向、传 播方向、相互间不相干，自发辐射的 能量平均地分配到腔内所有模式上。所以：自发辐射的光源，方向性、相干性、单色性差。自发辐射跃迁几率A21：A21 单位时间内，N个高能级原子中发生 自发辐射跃迁的原子数与N的比值。单位时间、单位体积内自发辐射的光子数每种原子中的两个能级就有一个确定的A21值例：A21=0.5108/秒意味着：在10-8/秒内E2上的原子将有一半 通过自发辐射回到低能级E1上。即：E2能级上的每个粒子发生自发辐射的 几率是1/2。通常：原子系统中符合辐射跃迁定则的两个 能级间的A21约为107 108/秒的量级。自发辐射跃迁几率A21只与原子本身性质有关，与辐射场无关。受激辐射 E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用，而跃迁到能级E1上，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则=h=E2-E1外来光子受激辐射跃迁几率受激辐射跃迁几率W21：单单位位时时间间、单单位位体体积积受激辐射的光子数。受激辐射的光子数。B21受激辐射系数，原子能级系统的特征参量受激辐射系数，原子能级系统的特征参量u()外来光子的单色辐射能量密度外来光子的单色辐射能量密度W21=B21 u()受激辐射与外来光有关受激辐射与外来光有关W21 单位时间内，在能量密度为单位时间内，在能量密度为u()的光的光 照射下，由于受激辐射跃迁从能级照射下，由于受激辐射跃迁从能级E2 跃迁到能级跃迁到能级E1的粒子数在的粒子数在E2能级总粒能级总粒 子数中所占的比例。子数中所占的比例。受受激激辐辐射射跃跃迁迁与与自自发发辐辐射射跃跃迁迁是是本本质质不同的物理过程。不同的物理过程。受激辐射与自发辐射的重要区别受激辐射与自发辐射的重要区别 相干性相干性自自发发辐辐射射 是是原原子子在在不不受受外外界界辐辐射射场场作作用用时时的的自自发发过过程程。大大量量原原子子的的自自发发辐辐射射场场的的相相位位呈呈无无规规则则分分布布，是是不不相相干干的的；自自发发辐辐射射场场的的偏偏振振方方向向和和传传播播方方向向也也是是无无规规则则分分布布的。自发辐射的能量平均分配到腔内所有模式上。的。自发辐射的能量平均分配到腔内所有模式上。受受激激辐辐射射 是是原原子子在在外外界界辐辐射射场场控控制制下下的的发发光光过过程程。各各原原子子的的受受激激辐辐射射的的相相位位不不再再是是无无规规则则分分布布，而而是是和和外外界界辐辐射射场场有有相相同同的的相相位位。受受激激辐辐射射场场与与入入射射辐辐射射场场属属于于同同一一种模式。种模式。按经典电子论模型定性解释：按经典电子论模型定性解释：自自发发辐辐射射 原原子子的的自自发发辐辐射射来来自自原原子子中中电电子子的的自自发发阻阻尼尼振振荡荡，没没有有任任何何外外加加光光场场来来同同步步各各个个原原子子的的自自发发阻阻尼尼振振荡荡，因因而而电电子子振振荡荡发发出出的的自自发发辐辐射是相位无关的。射是相位无关的。受受激激辐辐射射 对对应应于于电电子子在在外外加加光光场场作作用用下下做做强强迫迫振振荡荡时时的的辐辐射射，电电子子强强迫迫振振荡荡的的频频率率、相相位位、振动方向显然应与外加光电场一致。振动方向显然应与外加光电场一致。受激辐射的特点受激辐射的特点 必须有外来光子，其能量必须有外来光子，其能量=h=E2-E1 才能发生。才能发生。量子电动力学证明，受激辐射的光子与量子电动力学证明，受激辐射的光子与 入射光子同属一个光子态（特性完全相入射光子同属一个光子态（特性完全相 同）。同）。可使外来光得到放大。可使外来光得到放大。（3）受激吸收受激吸收N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则=h=E2-E1光的受激吸收是同受激辐射相反的过程。光的受激吸收是同受激辐射相反的过程。原子受外来光作用，完全吸收外来光子，并跃迁到E2能级。*必须有外来光子必须有外来光子受激吸收跃迁几率受激吸收跃迁几率W12：B12受激吸收系数，原子能级系统的特征参量受激吸收系数，原子能级系统的特征参量u()外来光子的单色辐射能量密度外来光子的单色辐射能量密度W12=B12 u()受激辐射与外来光有关受激辐射与外来光有关3.爱因斯坦公式爱因斯坦公式当当 g1=g2 时，时，有有 B12=B21、W12=W21当当 g1=g2时受激辐射跃迁几率等于受激吸收几率时受激辐射跃迁几率等于受激吸收几率自发辐射与受激辐射强度之比自发辐射与受激辐射强度之比自发辐射的光功率自发辐射的光功率 I自自=N2A21h受激辐射的光功率受激辐射的光功率 I受受=N2B21u()h在热平衡情况下对光波总是自发辐射占优势在热平衡情况下对光波总是自发辐射占优势例如：在T=1500K，=0.5m的热平衡空腔中4.光的吸收和增益 外来光子激励时，受激辐射和受激吸收两个过程同时发生（当外来光足够强时，自发辐射可以忽略）。受激辐射受激辐射 受激吸收受激吸收 入射光宏观上表现为光放大入射光宏观上表现为光放大光放大的条件光放大的条件设：设：dt时间、单位体积内受激辐射光子数时间、单位体积内受激辐射光子数dN21 dt时间、单位体积内受激吸收光子数时间、单位体积内受激吸收光子数dN12(1)N2 N1，受激辐射，受激辐射 N1，受激辐射，受激辐射 受激吸收，光放大受激吸收，光放大粒子数反转分布,与热平衡时玻尔兹曼分布相反N2 N1产生光放大的必要条件激活介质：能够实现粒子数反转的介质。增益系数：描述激活介质对光的放大能力