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1、第一章第一章 激光基本原理概述激光基本原理概述 按激光工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體（有機(jī)染料）激光器 一般激光器的三個(gè)主要組成部分：激光工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔、激勵(lì)能源Ruby：紅寶石/ru:bi/1.2 光的受激輻射（Stimulated Emission)一、光和物質(zhì)(原子、分子、離子，統(tǒng)稱粒子)相互作用的三種過(guò)程自發(fā)輻射(SP)E1E2h(Spontaneous Emission)受激吸收(STA)hE1E2(Stimulated absorption)受激輻射(STE)hE1E22h(Stimulated Emission)E2 and E1 表示兩個(gè)激發(fā)態(tài)一

2、個(gè)光子的能量輻射頻率E1E2hE1E2h 自發(fā)輻射（Spontaneous Emission）。主要特征：無(wú)需外來(lái)光，隨機(jī)發(fā)光，發(fā)出的光子不相關(guān)，即相位、偏振態(tài)、傳輸方向是隨機(jī)的；發(fā)出的光子能量分布在許許多多個(gè)模式上。自發(fā)輻射幾率(Spontaneous transition rate)A21 能級(jí)21 躍遷的特征參數(shù)E2能級(jí)平均壽命推導(dǎo) A21 and s 的關(guān)系式E1E2h 在自發(fā)輻射過(guò)程中，E2 能級(jí)上粒子隨時(shí)間按指數(shù)衰減 自發(fā)輻射幾率A21與自發(fā)輻射（能級(jí)）壽命ts呈倒數(shù)關(guān)系 ts 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，由 A21=1/s可獲得自發(fā)輻射幾率 A21只決定于物質(zhì)本身性質(zhì)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān) 受激躍

3、遷 受激吸收 stimulated absorption(STA)受激發(fā)射 stimulated emission(STE)hE1E2 受頻率為 的光場(chǎng)作用 受激輻射的光子具有完全相同的相位、偏振態(tài)和傳輸 方向 受激吸收幾率 W12 受激輻射幾率 W21單色能量密度 (J m-3 s)受激輻射幾率與輻射場(chǎng)的強(qiáng)度 成正比 能級(jí)21 and 12 的受激躍遷幾率相等 即 受激躍遷與自發(fā)躍遷是本質(zhì)不同的物理過(guò)程 為受激吸收和受激輻射躍遷系數(shù)，常數(shù) B12和B21的大小只與物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射 場(chǎng)無(wú)關(guān) A21、B21和B12關(guān)系式（愛(ài)因斯坦關(guān)系式）推導(dǎo)二、二、愛(ài)因斯坦關(guān)系式 A21、B21 和

4、B12的關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系熱平衡黑體輻 射 公 式玻爾茲曼分布模密度模密度n n 黑體輻射分配到黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式的腔內(nèi)每個(gè)模式的平均能量平均能量 f1=f2能級(jí)簡(jiǎn)并度說(shuō)明：1.SPE,STA,STE 三種過(guò)程同時(shí)存在，只是有強(qiáng)弱差別2.兩種輻射比較(熱平衡情況下)答案：SPE（自發(fā)輻射）占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)單位時(shí)間STE增加的光子數(shù)密度單位時(shí)間STA減少的光子數(shù)密度3.兩種受激躍遷比較(熱平衡情況下)T=1500K,=500nm 空腔4.自發(fā)輻射光子可作為引起受激輻射的 外來(lái)光 起始階段的受激輻射的外來(lái)光來(lái)自于介質(zhì)的自發(fā)輻射 因此，當(dāng)光在介質(zhì)內(nèi)傳輸時(shí)，光將被吸收而衰減。1.3 激光產(chǎn)生的基本原理

5、（概述）激光產(chǎn)生的條件:(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 (2)增益 損耗 即自激振蕩的閾值條件Flash lampFlash lampOutputbeamExternal mirrorExternal mirrorPartly transmissionRuby laser694.3nmF 發(fā)光粒子鉻離子(Cr3+)F 泵浦光源閃光燈,其作用是實(shí)現(xiàn)鉻離子反轉(zhuǎn)分布F 光諧振腔兩平面反射鏡，實(shí)現(xiàn)光反饋，使受激輻射光放大形成激光以紅寶石激光器(Ruby Laser)為例一、受激輻射占優(yōu)勢(shì)的條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（population inversion）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 受激輻射占主導(dǎo) 光放大s實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作

6、物質(zhì)稱為增益(或激活)介質(zhì)s粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的前提條件s如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？只有依靠外界向物質(zhì)提供能量(泵浦或稱激勵(lì))才能打破熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)En常溫下，Bolzman分布反轉(zhuǎn)分布r1r2mediumenergy sourceAlmost any energy source can be used as pump,even another laser.泵浦方法 1.光學(xué) a)閃光燈；b)其它激光器（如半導(dǎo)體激光器）2.電 a)氣體放電;b)大能量電子束;c)注入電流(產(chǎn)生電子-空穴對(duì))3.化學(xué)反應(yīng) a)火焰;b)爆炸4.電離性輻射 a)核彈 b)X-ray 5.Thermal

7、 oven 二、受激輻射光放大 開(kāi)放式諧振腔（Open resonator or cavity）模選擇 提高光子簡(jiǎn)并度(Photon degeneracy)激活介質(zhì)中的增益 增益系數(shù)(gain coefficient),增益飽和(gain saturation)增益曲線(gain profile)a.光子簡(jiǎn)并度 b.開(kāi)放式諧振腔的模選擇c.增益系數(shù)(小信號(hào)、大信號(hào)、增益飽和)d.增益曲線(增益系數(shù)對(duì)于頻率的分布)激光特性:單色性好、方向性好、光亮度 相干光(coherent light)自發(fā)輻射 非相干光光子簡(jiǎn)并度很低 受激輻射 相干光光子簡(jiǎn)并度高 什么是光子簡(jiǎn)并度 n 衡量相干光的參量 具有

8、相同能量和動(dòng)量的光子數(shù)（也稱同態(tài)光子數(shù)）同一模式中的光子數(shù)Photon degeneracy例：黑體輻射源（近似封閉腔）的光子簡(jiǎn)并度模密度模密度n n 黑體輻射分配到每黑體輻射分配到每個(gè)模式的平均能量個(gè)模式的平均能量Example:T=300K =30cm n=103 coherent =60m n=1;=0.6m n=10-35 incoherent結(jié)論:黑體輻射在紅外和可見(jiàn)光波段為非相干的模密度 n式(1.3.2)的物理意義?(1.3.2)(2)避免產(chǎn)生許多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)模內(nèi)。(3)將封閉腔改為開(kāi)放式諧振腔(1)最簡(jiǎn)單的開(kāi)放式諧振腔是F-P腔

9、開(kāi)放式光諧振腔使特定（軸向）模式的增加,其它模 式(非軸向)逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡(jiǎn)并度。光諧振腔有選模作用，是構(gòu)成激光器的主要部分。軸向模軸向模F-P 光諧振腔Closed cavity 增益系數(shù)(Gain Coefficient)與增益曲線 增益系數(shù) 描述激光工作物質(zhì)放大特性的參數(shù)定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度介質(zhì)中光強(qiáng)增大的百分比n(z)0z增益介質(zhì)I(z)I00zdz薄層凈凈STE光子數(shù)密度光子數(shù)密度 若介質(zhì)中n分布均勻,g(z)常數(shù) g0 小信號(hào)增益系數(shù) 光放大光被吸收透明透明*隨著光強(qiáng)不斷增大，增益系數(shù)是否能保持常數(shù)請(qǐng)考慮每一變化的物理原因？請(qǐng)考慮每一變化的物理原因？受激輻射使消耗反轉(zhuǎn)粒子

10、數(shù)增多（注意前提條件）（注意前提條件）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和 增益飽和 大信號(hào)情況No!增益飽和 g(I)（Gain Saturation)問(wèn)題:何時(shí)會(huì)出現(xiàn)增益飽和？飽和光強(qiáng) Is:其值由增益介質(zhì)本身性質(zhì)決定（4.5節(jié)討論）光強(qiáng)增大到一定程度一定程度,g 將隨 I 的增大而減小小信號(hào)增益系數(shù)，常數(shù)，與 I 無(wú)關(guān)大信號(hào)增益系數(shù)，g(I)g0增益飽和（飽和增益系數(shù)）增益曲線 g()增益系數(shù)相對(duì)于頻率的分布問(wèn)題的提出：引起STE的外來(lái)光(自發(fā)輻射）不是單一頻 率，有一定的頻率分布,(第四章詳細(xì)討論)增益線寬 定義:增益曲線極大值的半高全寬(FWHM)g()0損耗系數(shù) 激活介質(zhì)中不僅存在增益，還有損耗損耗系數(shù)

11、單位長(zhǎng)度光強(qiáng)衰減的百分比 負(fù)增益系數(shù)g&并存的介質(zhì)中，光強(qiáng)的變化解微分方程并有dz薄層g&三、自激振蕩器 （引出激光閾值條件、極值光強(qiáng)等）（1）自激振蕩概念 (電)自激振蕩器必須具備的基本條件：同相；振幅平衡激光器 光自激振蕩器如何實(shí)現(xiàn)光的正反饋和穩(wěn)定的振幅（光強(qiáng)）？光光諧振腔諧振腔增益和損耗達(dá)到平衡增益和損耗達(dá)到平衡amplifierfeedbackr1r2Active mediumPump for producing an inversion激光振蕩的閾值條件I0Imgg0zzI0只要增益介質(zhì)足夠長(zhǎng)，無(wú)論初始光強(qiáng) I0 如何，通過(guò)增益飽和，總可以達(dá)到確定的極值光強(qiáng) Im 即自激振蕩概念設(shè)增

12、益介質(zhì)無(wú)限長(zhǎng)，且增益與損耗并存 激光器是否振蕩與初始光強(qiáng)無(wú)關(guān) 初始光強(qiáng)來(lái)自于自發(fā)輻射 介質(zhì)增益飽和作用使增益和損耗的平衡決定了激光的最后輸出功率（2）如何使有限長(zhǎng)增益介質(zhì)成為“無(wú)限長(zhǎng)”光放大器 沿著腔軸的光在腔內(nèi)多次往返 等效無(wú)限長(zhǎng)放大器（3）自激振蕩條件激光振蕩條件閾值條件光諧振腔:光學(xué)正反饋；同相位增益飽和：極值光強(qiáng)；穩(wěn)定振幅 Index of refraction:h medium length Lr1r2I0I1 Threshold condition(閾值條件）d單程損耗，即單程渡越時(shí)腔內(nèi)平均光強(qiáng)衰減的比值閾值條件 閾值(自激振蕩)條件是激光產(chǎn)生的必要條件，唯一地 由激光器的損耗決定

13、。損耗是評(píng)價(jià)激光器的重要指標(biāo)=d激光腔內(nèi)的平均損耗系數(shù)，包括激活介質(zhì)、諧振腔及其它損耗（詳見(jiàn)2.1 節(jié)）Note:1.Threshold condition is necessary for generation of laser,only dependent on the losses,independent on the intensity of initiative light.2.Initiative light comes from spontaneous emission of laser medium,even if the spontaneous emission is so

14、weak at the beginning.Finally,the terminal intensity can be obtained by gain saturation effect.3.If the length of active medium(l)is shorter than the length of cavity(L),the threshold condition still is(details presented in 5.1)Summary Three interactions between light and medium SPE STE STA Einstein

15、 relationship A21,B21 and B12 Three key parts consisted of a conventional laser and their functions,respectively.Some important physical concepts and parameters population inversion,gain medium(active medium)gain(loss)coefficient,(small signal;big signal)gain (population)saturation;saturation intensity;terminal intensity;threshold condition