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二、什么是激光?,Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation-受激辐射光放大（Laser）,1,目录,退出,继续,光本性学说的波动性表现,光的干涉,光的衍射,光的粒子性,光电效应,光的波粒二象性,同步练习,光的偏振,2,红宝石激光器,1960年，Theodore Maiman成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器，输出波长694.3nm，脉能400mJ的相干光,梅曼和第一只激光器,3,1961年,中国研制成功红宝石激光器。1961年,Java等研制成功了波长1150nm近红外氦氖(He-Ne)激光器;Johnson发明掺铷钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器1962年,Bennett研制成功了波长为488nm的氩(Argon)激光器1964年，Pate发明二氧化碳(CO2)激光器1967年，第一台射线激光器研制成功。,高能量CO2激光器,4,固体激光器,固体激光器在激光器家族中具有最长的历史。在其发展进程中,我国的科学工作者曾做出过重要的贡献。我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光器”,1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。激光器的设计师是王之江教授。王之江教授因此被中国光学界尊称为“中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器”在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步,主要表现在泵浦氙灯采用直管式,而非螺旋形;红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球心附近。这种结构可以获得更高的泵浦效率。直至今天,闪光灯泵浦的固体激光器还大都采用这种方式。本节中,将重点介绍固体工作物质、光泵浦系统、工作物质的热效应及其散热几方面的内容。,5,双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。半导体激光的泵浦方式为电流注入激励,6,横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。气体激光器采用前类方法，固体激光器采用后类方法。,图3.18 采用小孔光阑作为选模元件,7,激光的特性,:高相干性 高单色性 高方向性-高亮度,激光具有特殊性质,8,光具有波粒二象性，即既可把光看作是一种频率很高的电磁波，也可把光看成是一个粒子，即光量子，简称光子。光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标准，并且约定光速严格等于299,792,458米/秒，此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来，随着实验精度的不断提高，光速的数值有所改变，米被定义为1/299,792,458秒内光通过的路程,光速用“c”来表示。,光,9,自身发光的物体称为光源，光源分冷光源和热光源。如图为人造光源。有实验证明光就是电磁辐射，人眼可见的电磁波波长范围约在390-760nm之间。波长在0.77微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0.39微米以下到0.04微米左右的称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光,光,10,第一节 概述,分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有分子气体。分子激光器的典型代表是CO2 激光器,固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光两类。泵浦方式主要分端面泵浦 和侧面泵浦。,一、激光器的基本结构 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。,11,第一节 概述,二、按照激光器工作方式划分激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式,激光容易实现干涉，是因为激光光束中光子的频率、初相、偏振方向几乎相同,紫外线是原子的外层电子受到激发后产生,把激光用作基因修复，是利用激光的方向性好.高能量,激光全息照相技术主要是利用激光的相干性好,12,2.He-Ne激光器的输出特性,(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。,普通光和激光的特点前者是相干光，后者是非相干光,普通光源是大量原子自发辐射发光,而激光器发光是受激辐射,它具有一系列不同于普通光源的性质.,13,第三节 固体激光器,侧面泵浦:工作物质形状为棒状或矩形片,泵浦光源为直管灯(螺旋灯)或激光二极管阵列。灯与棒平行放置或棒位于螺旋灯轴线上。泵浦光直接或经聚光腔反射后投射到棒侧面进入。端面泵浦:泵浦光由棒端面进入(对棒端面加工要求高)。后面将要介绍的半导体激光二极管泵浦固体激光器多采用此种方式,分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦。,14,0为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量,表示光在腔内传播单次能量的损耗率,那么光在一个单程中的能量损耗为W。设L为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：,式中，0为真空中激光中心波长。可见，当0和L一定时，Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗)来实现。,这样，Q值可表示为,（2.1-3),调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值(损耗)随时间按一定程序变化的技术。,15,CO2 激光器是一种气体分子激光器,CO2 为工作物质,N2、He、CO、Xe、H2 O、H2 与O2 等为辅助气体,其作用是提高激光器的输出功率和效率。CO2激光器的工作方式分为连续和脉冲两种,也可以在稳频、调谐(选支)等状态下运转 CO2激光器的输出特性有两个显著的特点:一：输出功率或能量相当大,能量转换效率高。CO2 激光器连续输出功率可达数十万瓦,是所有激光器中连续输出功率最高的器件;脉冲输出能量可达数万焦。二：输出波长分布在918m波段,已观察到的激光谱线二百多条。911m红外波段中最重要的输出波长10.6m处于大气传输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用,且该波长对人眼安全。CO2 激光器于1964年问世。,16,二、光纤激光器基本结构及主要特点,光纤谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环,光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同，如下图所示：,17,双包层光纤激光器,双包层掺杂光纤的构形如下图所示,18,半导体激光制造技术进展,半导体激光除具备一般激光器的单色性好、相干性好、方向性好和高强度特点之外，它还具有如下优点：1）体积小，小于1cm3。2）重量轻，小于10g。3）效率高，达40%。4）寿命长，110万小时。5）可单片集成，100个激光器。,半导体激光器优点,19,20,1.激光的基本原理 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激辐射。,21,如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且，其中：E2为原子的某一较高的能量状态激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。,原子吸收,22,与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。,自发辐射,23,自发辐射的特点是：这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。,24,受激辐射 处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。,25,这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。图1-4就是受激辐射光放大的示意图。,受激辐射的特点是：,26,产生激光的必要条件（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；（2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；（3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、激发电压等等。,27,第三节 固体激光器,一、固体工作物质 固体工作物质由固体基质材料和少量掺杂离子(金属离子)两部分构成。其中固体工作物质的物理性能由基质材料体现,而其光谱特性则由掺杂离子决定。基质材料有晶体和玻璃两大类。晶体又分为氧化物晶体和氟化物晶体。氧化物晶体有单一氧化物和混合氧化物。单一氧化物晶体如Al2 O3,混合氧化物晶体如石榴石型晶体YAG、YAP。氟化物晶体也有单一氟化物,如CaF2晶体和混合氟化物,如LiYF4 晶体。玻璃则有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。掺杂离子有四类:(1)三价稀土金属离子:如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、镝(Dy3+)、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)等。(2)二价稀土金属离子,如钐(Sm2+)、铒(Er2+)、铥(Tm2+)、镝(Dy2+)等。(3)过渡金属离子,如钛(Ti3+)、铬(Cr)、镍(Ni3+)、钴(Co3+)等。(4)锕系金属离子,多具有放射性,不易制备,其中,只有铀(U3+)曾有所应用。,28,激光器简介目前激光器的种类很多。按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。,29,超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级，70年代，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞跃，采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。,3.3 超短脉冲技术,30,第二节 气体激光器,电极分为阳极和阴极。阳极一般采用钨棒,阴极多采用电子发射率高而溅射率小的铝及其合金这类冷阴极材料。为增加电子发射面积,减小阴极溅射,阴极通常做成圆筒状,再用钨棒引至管外。He-Ne激光器因为增益低,谐振腔一般采用平凹腔。平面镜为输出反射镜,透过率约1%2%,凹面镜为全反射镜。,He-Ne激光器结构形式多样,按照谐振腔与放电管的放置方式不同,可分为内腔式、外腔式和半内腔式,31,1.主动锁模：主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。,2.被动锁模：产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模。在激光谐振腔中插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。,激光锁模的方式有哪些,32,4.同步泵浦锁模如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。,3.自锁模：当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。,33,光与物质存在那三种相互作用？激光放大主要利用其中那种相互作用？说明在激光产生过程中，最初的激光信号来源是什么？（自己查资料）,p21 p24 p42,34,第2章 光纤与光缆,光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波，并通过光纤来传递信息的通信系统。从20世纪70年代开始，光纤通信快速发展，目前在世界范围内成为最重要的通信手段。利用光纤作为传输介质的光纤通信，有如下优点：(1)载波频率高有极大的通信容量；(2)直径细，质量轻；(3)基质材料是石英，来源丰富，可以节约大量金属；(4)不受电磁干扰，同时也不产生电磁干扰。,35,He-Ne激光器的输出特性,(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5-10),(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。,在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。,36,一、论述激光纵膜选择的方法有哪些？,37,1、色散腔法。当工作物质具有多条荧光谱线或一条较宽的谱带时，在腔内放入色散棱镜或反射光栅等光学元件，可以进行粗选纵模。使选频振荡的线宽压缩到0.1-1nm左右。但是这种方法不仅复杂，而且由于反射光栅非常低的效率导致激光器的效率也显著减少，通常低于94。2、短腔法。对于短腔激光器其腔体本身就是一个可以做为色散元素的法布利玻罗标准具（FP腔），这样的话在有效的频率范围内增大了纵模间隔。能级之间的强耦合参与到CO2分子辐射中使得最强的谱线才能起振成为可能。但是激光谱线竞争不仅取决于分子的发射强度，还取决于和腔模重叠的部分。如果在一条强发射谱线的中心附近没有腔模，它就不会振荡。由于CO2的谱线频率由CO2分子的结构决定，因此一旦选定一个分子体系，这就是个定值。而腔模的频率是由腔长决定，即v c/2L。有此可见，短腔可以增大纵模间隔，从而也使得较弱的谱线有机会与腔模重叠而较强的谱线却不会的情况成为可能。以下是两根谱线：10P20即10.59um和10P14即10.53um。腔长调节CO2激光谱线的图示。当腔长为152.4mm时，10P20谱线与其中一个腔模重叠的更好，因此10P14谱线的振荡被抑制住。另一个腔长调节CO2激光谱线的图示。当腔长为152.399mm，即比上图的腔长短了1um时，10P14谱线与其中一个腔模重叠的更好，因此可以起振而把具有更强增益的10P20谱线的振荡抑制住。,二.对光频电磁场与物质的相互作用的理论处理方法、优缺点,1.经典方法:对粒子系统和电磁场均作经典处理,对电磁场-用经典电动力学的Maxwell方程组描述,对粒子系统-用经典力学的电偶极振子描述,特点:较粗糙,但在一定范围内很实用,适用范围:a.解释物质对光的吸收、色散,定性说明粒子自发 发射及其谱线宽度b.光学谐振腔及激光传输理论c.大致描述非线性光学效应d.描述自由电子激光器机理,38,2.半经典理论:量子力学范畴,对电磁场-用经典电动力学的Maxwell方程组描述,对粒子系统-作量子力学处理,优点:能推导出激光物理学的大部分规律,(如强度特性-反转粒子数、烧孔效应、振荡光强的兰 姆凹陷,增益饱和、多模竞争、模相位锁定、频率牵引 及推斥等),缺点:a.因忽略了电磁场的量子化特性,故有些结果与实验不 符,有些现象无法解释(自发发射及其线宽极限、量子 起伏等),b.对粒子系统的数学处理复杂(若只希望了解激光器的宏 观性质,这种繁复是不必要的,而代之以后述更简明 实用的速率方程方法),39,3.全量子理论:量子电动力学方法(已超出本课程及本书要求),对电磁场及粒子系统 均作量子化处理,并把二者视为一个统一的物理系统,特点:能严格处理相干性、噪声、线宽极限等难题,但数学上十分复杂,4.速率方程方法:量子理论的一种简化形式,简化前提:忽略量子化辐射场的位相特性及光 子数的起伏特性,优点:形式特别简单,且可给出激光的强度特性 并粗略描述烧孔、兰姆凹陷、多模竞争等 效应,40,缺点:较粗糙,未能解释色散(频率牵引)及与量子 起伏有关的某些特性,三.本课程的讨论范围及手段:,范围:介绍激光和激光器的基本原理,手段:主要采用速率方程方法,并辅之以经 典理论的部分结果,41,光与物质相互作用的三种处理方法,经典理论：用经典的麦克斯韦方程描述电磁场，将原子看作经典的电偶极子。半经典理论：用经典的麦克斯韦方程描述电磁场，而物质原子的内部能量运动用量子力学的薛定鄂方程描述。速率方程理论：把光频电磁场看成量子化的光子，把物质体系描述成具有量子化能级的粒子体系。,严格的激光物理模型是用量子电动力学来描述,42,1.2 激光产生的机理,一、理论体系（光与物质的共振相互作用的理论处理方法）,（1）经典理论（Classical Laser Theory）电磁场麦克斯韦方程组；原子电偶极振子（2）半经典理论（Semiclassical Laser Theory）电磁场麦克斯韦方程组；原子量子力学描述（3）量子理论（Quantum Laser Theory）电磁场和原子二者作为一个统一的物理体系作量子化处理（4）速率方程理论（Rate Equation Theory）量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性,本课程：经典理论、速率方程理论,43,光波是一种横波.偏振光会发生偏振现象,44,
