激光器的基本概念.ppt

高等激光物理学,中国科学院大学物理学院,课程说明,参考书:,2.激光物理基础哈尔滨工业大学出版社 王雨三，张中华 主编,3.激光物理北京邮电大学出版社 卢亚雄，余学才，张晓霞编著,5.Laser Theory Hermann Haken,Springer-Verlag,1984,4.Principles of Lasers Orazio Svelto,Springer,1.高等激光物理学高等教育出版社 李福利 编著,课程说明,主要内容:激光器的基本概念、速率方程 理论,半经典理论和全量子理论,课程要求:30%平时+70%笔试,联系方式:,第一章 激光器的基本概念,激光器:利用受激辐射实现光的放大,Laser:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,1917年-爱因斯坦-受激辐射发光过程的提出,从理论上预言了产生激光的可能性，然而这种可能性变为现实经历了几十年。,1954年-汤斯等人实现了微波的受激放大,除了工作波长位于微波波段以外，工作原理已和激光非常接近。,1958年-肖洛和汤斯提出将微波量子放大器的原理推广到光波领域。,戈登等研究了包含两个球面镜的光谐振腔的工作模式，并证实了它具有稳定的准直性和较低的衍射损耗，还推导出高斯场模横向分布的最低阶横模TEM00。,1960年 梅曼在休斯实验室成功地制造出红宝石激光器,此后，激光高速发展，各种气体、固体、染料和半导体激光器相继出现，许多相关技术开发出来，激光器在各个领域内广泛应用。,1961年 中国科学院长春光机所在王大珩领导下，用国产红宝石制造出中国第一台红宝石激光器。,1961年R.W.Hellwarth发明Q开关技术。,1962年L.E.Hargrave研究成功锁模技术。,1964年N.G.Basov和中国科学院王淦昌独立提出利用激光进行核聚变的初步物理模型。,1964年 美国的理论物理学家兰姆提出了气体激光的半经典理论，成功地解释了在气体激光的功率曲线中心出现的凹陷（兰姆凹陷），为气体激光的饱和吸收稳频奠定了理论基础。,1966年 高锟在英国标准电信实验室建立光纤通信的物理模型。研究成果成为光通信和激光光电子学的重大里程碑。,1981年A.Schawlow和N.Bloembergen荣获1981年诺贝尔物理学奖，表彰他们在激光光谱学方面的开创性贡献。,1997年 朱棣文，C.Cohen-Tannoudji和W.Phillips获得诺贝尔物理学奖，表彰他们在激光捕获和冷却原子领域的开创性研究成果。,1999年 A.Zewail获得诺贝尔化学奖，表彰他在飞秒化学领域所做出的卓越贡献。,2005年 和T.Hansch荣获诺贝尔物理学奖，表彰他们在精密激光光谱分析所做出的贡献，以及发明飞秒“光学频率梳技术”，使光学频率测量获得重大进展。,2005年的诺贝尔物理学奖同时颁发给，以表彰他对量子光学的贡献。,高锟分享了2009年的诺贝尔物理学奖，以表彰他在光纤通信研究中做出的开创性贡献。,1.激光器的产生条件,自发辐射,受激辐射,受激吸收,光与物质相互作用,1.激光器的产生条件,自发辐射,A21自发辐射系数,受激辐射,受激吸收,B21受激辐射系数,B12受激吸收系数,单位体积，dt时间内，自发辐射的粒子数,单位体积，dt时间内，受激辐射的粒子数,单位体积，dt时间内，受激吸收的粒子数,A21,B21与B12统称为爱因斯坦系数,1.激光器的产生条件,爱因斯坦系数的关系(A21,B21与B12),考虑一个达到热平衡的空腔系统,组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等,空腔中的辐射场将有一个稳定的分布,各能级粒子数符合玻尔兹曼分布,普朗克黑体辐射公式:空腔中频率为,的光能密度,组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等,各能级粒子数符合玻尔兹曼分布,1.激光器的产生条件,激光的产生,受激辐射强于受激吸收,受激辐射强于自发辐射,自发辐射,受激辐射,受激吸收,1.激光器的产生条件,粒子数反转,受激辐射强于受激吸收,受激辐射强于自发辐射,（谐振腔）,增大,激光是远离热平衡的系统,2.激光器的基本结构,激光输出,2.激光器的基本结构,激光器的分类：,运转方式：连续激光器和脉冲激光器,工作物质：固体激光器，气体激光器，半导体激光器,激励方式：光激励，放电激励,激光的特性:高亮度,单色性,方向性，和相干性,激光科学技术发展迅速,涉及多个学科,如光谱学,材料学,医学等等.,激光的广阔应用:激光在加工,测距,光通讯和核聚变 等方面都有重要的应用.,3.激光器纵模的和横模,纵模,驻波,腔长L,沿轴线方向（即纵向）形成的驻波场即为激光的纵模。,纵模频率,相邻纵模频率间隔,横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向面内存在稳定的场分布，通常称为横模。,激光的横模，实际上就是谐振腔所允许的（也就是在腔内来回反射，能保持稳定不变的）光场的各种横向分布。,4.光的增益和损耗,光的放大增益,光能密度,光强,单位时间单位体积内产生的光子数增加为：,光强放大的增益：,光场的增益：,非均匀加宽,均匀加宽,两种典型的线型,洛伦兹线型,高斯线型,均匀加宽的谱线宽度,多普勒线宽,考虑谱线线型,归一化的谱线线型函数,单色光,对中心频率，有,洛伦兹线型,高斯线型,洛伦兹线型,高斯线型,受激辐射截面,光子数随时间的变化,受激辐射速率,反转粒子数,腔的损耗、Q值、寿命,举例：若二反射镜的反射率为,单程时间为,平均单位时间内的光强损耗,光子数随时间的变化,5.光的振荡,自激条件,光强的增益为,令工作物质长度等于腔长，即,是腔内的损耗,自激条件：,其中,激光器的临界条件：,激光器的临界条件的意义是增益等于损耗,临界条件,均匀加宽线型中心频率对应的增益,临界反转粒子数,6.激光器的模式选择,选择横模,减少反射镜的有效半径,腔内加光阑,倾斜腔镜,要从激光的许多模中选出一个来，就要求所选定的那个模的损失尽可能的低，而增加一切其它模的损失使之超过增益以致不能达到阈值。,高阶横模有随着横模技术的增大而越来越少地沿着共振腔轴集中的径向场分布。,选择纵模,缩短腔的长度,相邻纵模频率间隔,减小腔长可以增大纵模间隔。,组合干涉腔限制纵模,利用压电元件可使镜M3移动几个um，以实现谐振腔M1-M2和选频腔M2-M3的共振耦合，共振条件是,脉冲尖峰结构,7.脉冲激光器,反转粒子数,光子数,调Q激光器基本原理,电光调Q,可饱和吸收染料Q开关,锁模激光器原理,当振荡的激光器包含了许多纵模，且纵模间无固定的相位关联。,锁模激光器原理,不同纵模间相位锁定,主动锁模激光器示意图,主动锁模激光器,被动锁模,克尔透镜锁模,第一章作业,必作：,1.简述一种激光器的基本原理（包括泵浦方式，能级结构，激光器的简单结构，输出波长等）。,2.证明：,3.介绍一种调Q技术。,4.介绍一种锁模技术。,第一章作业,选作：,1.爱因斯坦系数有三个，但只有两个方程，如何确定三个爱因斯坦系数？,2.介绍与激光技术有关的重大物理事件。,