第1讲激光产生的基本原理.ppt

第1讲:激光的产生基本原理,沈阳工业大学理学院 杨玉东,§1.1 激光原理简介一、原子的激发和辐射二、粒子数反转 三、光学谐振腔四、激光的特点五、激光器种类六、应用,激光：受激辐射的光放大,Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,世界上第一台激光器诞生于1960年，红宝石激光器中国1961年,基本原理是基于1917年爱因斯坦提出的受激辐射理论,一、原子的激发和辐射,,h,1. 自发辐射,原子处于激发态是不稳定的,会自发跃迁到低能级,同时放出一个光子,这个过程叫自发辐射,设 N1 、N2 为处于E1 、E2能级的原子数,则在单位时间内从E2  E1自发辐射的原子数为,Ａ21 自发辐射系数---- 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率,2. 受激吸收,,h,●,,另有某个能量为E2的高能级,若原子处在某个能量为E1的低能级,当入射光子的能量h 等于E2  E1时,原子就可能吸收光子,而从低能级跃迁到高能级,这个过程叫受激吸收,●,设 N1 、N2 分别为处于E1 、E2能级的原子数,则单位时间内因吸收光子而从 E1E2 的原子数为,B12 ---- 吸收系数,是频率 = (E2 – E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度,B12  ---单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率,3.受激辐射若入射光子的能量h 等于原子高、低能级的能量差E2  E1且高能级上有原子存在时入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级 同时，放出一个与入射光子完全相同的光子,,●,●,,全同光子:频率 相位 振动方向 传播方向 相同,单位时间内从E2 E1的受激辐射的原子数为,B21  ---单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率,B21--- 受激辐射系数,是频率 = (E2 – E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度,,●,●,,A21 、B21 、B12 统称为爱因斯坦系数,1917年，爱因斯坦从理论上得出：,B21 = B12,普朗克黑体辐射公式,二、粒子数反转,由大量原子组成的系统, 在平衡态, 原子数目按能级的分布服从 玻耳兹 曼统计分布,1. 为何要粒子数反转,能量为 E2  E1 的入射光可引起两种过程, 必须 N2 > N1 —— 粒子数布居反转,因为 B21=B12,要产生光放大必须,受激辐射,受激吸收,,2. 实现粒子数反转的必备条件,为了促使粒子数反转的出现必须用一定的手段去激发原子体系,1) 依靠泵浦源激发原子粒子数反转态是非热平衡态,激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等,这称为“泵浦”或“抽运”,有三能级或三能级以上的能级系统,上能级应为“亚稳态”,（自发辐射系数小）,2) 合适能级分布的工作物质,下能级不应是基态而且对下下能级的自发辐射要大,三、光学谐振腔,为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过工作物质实现这一目的的装置是光学谐振腔在激活物质两侧配置两个反射镜，就构成了一个“光学谐振腔”,光学谐振腔的作用1 )使激光具有极好的方向性（沿轴线）2 )增强光放大作用（相当于延长了工作物质） 3 )使激光具有极好的单色性（选频）,小结: 激光器的三个主要组成部分,1.工作物质：,2.激励能源：,有合适的能级结构,能实现粒子数反转,3.光学谐振腔：,保证光放大,使激光有良好的方向性和单色性,使原子激发 维持粒子数反转,例： He — Ne 气体激光器的工作原理,He是辅助物质 Ne是工作物质,He与 Ne之比为5∶1  10∶1,Ne,He,,,,,氦氖气体激光器是四能级系统,四、激光的特点,1.方向性极好,激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级普通光源发出的光辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。

激光束是高度平行的光束2.单色性好,小到10 - 15,脉冲瞬时功率可达～10 14 W,3. 强度极高,聚焦状态可达到,可产生108K的高温 引起核聚变,激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用调Q技术的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生10-14s的光脉冲由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性特制的氦  氖激光器输出的光束，相干长度达2107km氪灯只有38.5cm4.相干性好,2、按工作方式分：,连续式脉冲式,3、按波长分： 极紫外──可见光──红外/远红外,五、激光器种类：,固体（如红宝石Al2O3:Cr，YAG:Nd) 液体（如染料激光器）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓、GaAs、InGaN）,1、按工作物质分：,★ 军事：激光制导、激光武器 ★ 加工：光刻、焊接、切割、打孔、雕刻★ 医疗：美容、手术 ★ 核技术：核聚变点火★ 生活：光纤通讯、激光笔、光盘存储★ 科技：光源、激光冷却、全息、激光光解,六、应用,,激光核聚变,这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。

激光焊接,高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起,用激光使脱落的视网膜再复位,（目前已是常规的医学手术）,用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素,处理前,处理后,RM1000显微共焦激光拉曼光谱仪,光盘存储,光纤通信,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光导纤维,光缆,光放大器,光缆,金华,传导原理：全反射,光纤通信,光纤的优越性：,• 宽带,• 不受电磁干扰,• 重量轻,• 低损耗,1480nm和980nm波长的半导体激光器是EDFA的泵浦光源,。