激光原理教案市公開課獲獎?wù)n件

1、第一章 激光基本原理1-1 相干性光子描述1-2 光受激輻射基本概念1-3 光受激輻射放大1-4 光自激振蕩1-5 激光特性第1頁第1頁1-1 相干性光子描述一光子基本性質(zhì) 第2頁第2頁光子含有兩種也許獨(dú)立偏振狀態(tài)，相應(yīng)于光波 場兩個(gè)獨(dú)立偏振方向。光子含有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。因此大量光子集合，服從玻色愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。處于同一狀態(tài)光子數(shù)目是沒有限制，這是光子與其它服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布粒子(電子、質(zhì)子、中子等)主要區(qū)別。第3頁第3頁二、光波模式和光子狀態(tài)相格 按照量子電動力學(xué)概念，光波模式和光子狀態(tài)是等效概念。 由麥克斯韋(c.Maxwell)方程決定。單色平面波是麥克斯韋方程一個(gè)特解，麥克

2、斯韋方程通解可表為一系列單色平面波線性疊加。第4頁第4頁空腔立方體內(nèi)模式數(shù)目 第5頁第5頁 m,n,q為正整數(shù)，相應(yīng)腔內(nèi)一個(gè)模式(包括兩個(gè)偏振)。第6頁第6頁 在k空間內(nèi)，波矢絕對值處于區(qū)間圖1.1.1 波矢空間第7頁第7頁有兩種不同偏振，上述模式數(shù)應(yīng)乘 2 第8頁第8頁 測不準(zhǔn)關(guān)系表明：微觀粒子坐標(biāo)和動量不能同時(shí)準(zhǔn)確測定，位置測得越準(zhǔn)確，動量就越測不準(zhǔn)。第9頁第9頁 上述相空間體積元稱為相格。相格是相空間中用任何試驗(yàn)所能分辨最小尺度。光子某一運(yùn)動狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，但不能確定它在相格內(nèi)部對應(yīng)位置。 微觀粒子和宏觀質(zhì)點(diǎn)不同，它運(yùn)動狀態(tài)在相空間中不是對應(yīng)一點(diǎn)而是對應(yīng)一個(gè)相格。這表明微觀粒子

3、運(yùn)動不連續(xù)性。僅當(dāng)所考慮運(yùn)動物體能量和動量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由普朗克常數(shù)h所標(biāo)志量hv和hk，以致量于化效應(yīng)能夠忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)運(yùn)動才過渡到經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動。第10頁第10頁一個(gè)相格所占有坐標(biāo)空間體積(或稱相格空間體積) 可見，一個(gè)光波模在相空間也占有一個(gè)相格，因此，一個(gè)光波模等效于一個(gè)光子態(tài)。 第11頁第11頁 物理光學(xué)中曾經(jīng)證實(shí)：在圖中，由線度為x光源A照明和兩點(diǎn)S1 、S2 光波場含有明顯空間相干性條件為距離光源R處相干面積為 第12頁第12頁 假如用表示兩縫間距對光源張角，則 光源相干面積為:第13頁第13頁 三、光子相干性 光相干性了解為：在不同空間點(diǎn)上、在不同時(shí)刻光波場一些特性(比如光波場相

4、位)相關(guān)性。 相干體積：假如在空間體積Vc 內(nèi)各點(diǎn)光波場都含有顯著相干性，則Vc 稱為相干體積。第14頁第14頁 普通光源發(fā)光，是大量獨(dú)立振子(比如發(fā)光原子)自發(fā)輻射。每個(gè)振子發(fā)出光波是由連續(xù)一段時(shí)間t或在空間占有長度ct波列所構(gòu)成如圖所表示。 單原子發(fā)光光波列和頻譜 第15頁第15頁光源單色性越好，相干時(shí)間越長 光源相干體積 如要求傳播方向限于之內(nèi)并含有頻帶寬度光波相干，則光源空間體積應(yīng)小于VCS。第16頁第16頁 從光子觀點(diǎn)分析下列：由面積為(X)2光源發(fā)出動量為p限于立體角內(nèi)光子，由動量測不準(zhǔn)關(guān)系知： 即相格空間體積和相干體積相等。假如光子屬于同一光子態(tài)，則它們應(yīng)當(dāng)包括在相干體積之內(nèi)。也

5、就是說，屬于同一光子態(tài)光子是相干。第17頁第17頁結(jié)論： 1相格空間體積以及一個(gè)光波?；蚬庾討B(tài)占有空間體積都等于相干體積。 2屬于同一狀態(tài)光子或同一模式光波是相干。不同狀態(tài)光子或不同模式光波是不相干。 第18頁第18頁四、光子簡并度 一個(gè)好相干光源，應(yīng)含有盡也許高相干光強(qiáng)、足夠大相干面積和足夠長相干時(shí)間。 對普通光源來說，增大相干面積、相干時(shí)間和增大相干光強(qiáng)是矛盾。為了增大相干面積和相干時(shí)間，能夠采取光學(xué)濾波來減小，縮小光源線度或加光闌以減小以及遠(yuǎn)離光源等方法。但這一切都將造成相干光強(qiáng)減小。第19頁第19頁光子簡并度：處于同一光子態(tài)光子數(shù)。 含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)光子數(shù)、處于相干體積內(nèi)光

6、子數(shù)、處于同一相格內(nèi)光子數(shù) 激光器是一個(gè)把光強(qiáng)和相干性兩者統(tǒng)一起來強(qiáng)相干光源。相干光強(qiáng)決定于含有相干性光子數(shù)目或同態(tài)光子數(shù)目。第20頁第20頁1-2 光受激輻射基本概念 受激輻射概念是愛因斯坦首先提出(19)。在普朗克于19用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及波爾在19提出原子中電子運(yùn)動狀態(tài)量子化假設(shè)基礎(chǔ)上，愛因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射普朗克公式并在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極為主要概念：受激輻射和自發(fā)輻射。40年后，受激輻射概念在激光技術(shù)中得到了應(yīng)用。 第21頁第21頁一、黑體輻射普朗克公式 絕對黑體(簡稱黑體)：處于溫度T物體能夠發(fā)出和吸取電磁輻射。假如某一物體能夠完全

7、吸取任何波長電磁輻射，則稱此物體為絕對黑體。（空腔即為絕對黑體） 熱輻射(溫度輻射): 物體除吸取電磁輻射外，還會發(fā)出電磁輻射，這種電磁輻射稱為熱輻射 .第22頁第22頁 黑體輻射或平衡輻射: 黑體處于某一溫度T熱平衡情況下，則它所吸取輻射能量應(yīng)等于發(fā)出輻射能量，即黑體與輻射場之間應(yīng)處于能量(熱)平衡狀態(tài)。顯然，這種平衡必定造成空腔內(nèi)存在完全擬定輻射場。這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。 單色能量密度 ：在單位體積內(nèi)，頻率處于 附近單位頻率間隔中電磁輻射能量。量綱為焦耳米3秒 第23頁第23頁普朗克量子化假設(shè)及黑體輻射普朗克公式： 腔內(nèi)單位體積內(nèi)，頻率處于 附近單位頻率間隔中光波模式數(shù)： 每個(gè)

8、模式平均能量為： 第24頁第24頁二、受激輻射和自發(fā)輻射概念 輻射場是構(gòu)成黑體物質(zhì)原子互相作用結(jié)果，為簡化問題，我們只考慮原子兩個(gè)能級E1和E2，并有 單位體積內(nèi)處于兩能級原子數(shù)分別用n2和n1表示 第25頁第25頁自發(fā)輻射(spontaneous radiation) 設(shè) N1 、N2 單位體積中處于E1 、E2 能級原子數(shù)。 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)， 從E2 E1自發(fā)輻射 原子數(shù)： E2E1N2N1h第26頁第26頁寫成等式 21 自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位 時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程概率。 各原子自發(fā)輻射光是獨(dú)立、 無關(guān) 非相干光 。第27頁第27頁受激輻射 (stimulated radi

9、ation)E2E1N2N1全同光子h設(shè) （、）溫度為時(shí), 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔 外來光能量密度。第28頁第28頁 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E E 受激輻射原子數(shù)：寫成等式 B21受激輻射系數(shù)第29頁第29頁W21 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 受激輻射過程概率。則受激輻射光與外來光頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同-有光放大作用。令 W21 = B21 （、T）第30頁第30頁吸取(absorption)E2E1N2N1h上述外來光也有也許被吸取， 使原子從 E1E2。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸取外來光而從 E1E2 原子數(shù)：第31頁第31頁三、A21, B1

10、2 ,B21 互相關(guān)系 熱平衡狀態(tài)標(biāo)志是： 1腔內(nèi)存在著熱平衡黑體輻射。 2腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按能級分布應(yīng)服從熱平衡狀態(tài)下玻爾茲曼分布 第32頁第32頁A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數(shù)。第33頁第33頁愛因斯坦在 19從理論上得出愛因斯坦受激輻射理論為六十年代初試驗(yàn)上取得激光奠定了理論基礎(chǔ)。B21 = B12第34頁第34頁自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)A21 意義:A21 : 原子在能級 E2上平均壽命S 倒數(shù) 第35頁第35頁設(shè)高能級En躍遷到Em躍遷幾率為Anm，則激發(fā)態(tài)En自發(fā)輻射平均壽命為：第36頁第36頁 四、受激輻射相干性 自發(fā)輻射是原子在不受外界輻射場控制情況下自發(fā)過程。大量原子

11、自發(fā)輻射場相位是無規(guī)則分布因而是不相干。另外，自發(fā)幅射場傳播方向和偏振方向也是無規(guī)則分布，自發(fā)輻射平均地分派到腔內(nèi)所有模式上。第37頁第37頁受激輻射 在外界輻射場控制下發(fā)光過程，因而容易設(shè)想各原子受激輻射相位不再是無規(guī)則分布，而應(yīng)含有和外界輻射場相同相位。第38頁第38頁 在量子電動力學(xué)基礎(chǔ)上能夠證實(shí)：受激輻射光子與入射(激勵(lì))光子屬于同一光子態(tài)；或者說，受激輻射場與入射輻射場含有相同頻率、相位、波矢(傳播方向)和偏振，因而，受激輻射場與入射輻射場屬于同一模式。 大量原子在同一輻射場激發(fā)下產(chǎn)生受激輻射處于同一光波?；蛲还庾討B(tài)，因而是相干。第39頁第39頁13 光受激輻射放大 一、光放大約念

12、普通光源在紅外和可見光波段是非相干光源 例：黑體輻射源光子簡并度 對= 30cm（微波），n103 黑體基本上是相干光源T300K:第40頁第40頁即使提升黑體溫度，也不也許對其相干性有主線改進(jìn)。 n1 ， = 1m,黑體溫度高達(dá)50000K。 對= 60m （遠(yuǎn)紅外輻射）， n1 而對= 0.6m （可見光）， n10-35，即在一個(gè)光波模內(nèi)光子數(shù)是10-35個(gè)，(完全非相干光源)。 第41頁第41頁2.光放大概念激光器基本思想 受激輻射產(chǎn)生相干光子，而自發(fā)輻射產(chǎn)生非相干光子。假如我們能使腔內(nèi)某一特定模式(或少數(shù)幾種模式) 大大增長，而其它所有模式 很小，就取得一個(gè)或少數(shù)幾種模式高光子簡并度

13、。 第42頁第42頁光諧振腔: 將一個(gè)充斥物質(zhì)原子長方體空腔(黑體)去掉側(cè)壁，留兩個(gè)端面壁。假如端面腔壁對光有很高反射系數(shù)，則沿垂直端面腔軸方向傳播光(相稱于少數(shù)幾種模式)在腔內(nèi)多次反射而不逸出腔外，而所有其它方向光則很容易逸出腔外?？蓪?shí)現(xiàn)光波模式選擇。 第43頁第43頁 光受激輻射放大:若軸向模式不是被原子吸取(受激吸取)，而是由于原子受激輻射而得到放大，即取得極高光子簡并度。 二、實(shí)現(xiàn)光放大條件聚居數(shù)反轉(zhuǎn) 在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，各能級上原子數(shù)(或稱集居數(shù))服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布 第44頁第44頁 即在熱平衡狀態(tài)下，高能級聚居數(shù)恒小于低能級聚居數(shù) .第45頁第45頁處于熱平衡狀態(tài)下物質(zhì)只能吸

14、取光子 若 n2n1 物質(zhì)光吸取能夠轉(zhuǎn)化為自己對立面光放大。 集居數(shù)反轉(zhuǎn)(也可稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn))。只有當(dāng)外界向物質(zhì)供應(yīng)能量(稱為激勵(lì)或泵浦過程)，從而使物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)時(shí)，集居數(shù)反轉(zhuǎn)才也許實(shí)現(xiàn)。激勵(lì)(或泵浦)過程是光放大必要條件。 第46頁第46頁三、光放大物質(zhì)增益系數(shù)與增益曲線 激活物質(zhì)(或激光介質(zhì))：處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)物質(zhì)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)光放大器。 放大(或增益)系數(shù)： 表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長百分?jǐn)?shù)。 第47頁第47頁光在介質(zhì)中傳播物理圖像第48頁第48頁第49頁第49頁 若n2(z)-n1(z)與z無關(guān)，則G(z)為常數(shù) 增益飽和效應(yīng):n2(z)-n1(z)隨Z增長

15、而減少,因而增益系數(shù)G(z)也隨z增長而減小效應(yīng)。單位體積內(nèi)聚居數(shù)差值 第50頁第50頁I0為飽和光強(qiáng)。G0小信號增益系數(shù)（ I I0 ）。 I I0不滿足時(shí)稱為大信號增益系數(shù)(或飽和增益系數(shù)) 第51頁第51頁增益系數(shù)也是光波頻率 函數(shù)，G(,I)隨改變曲線稱為增益曲線， 稱為增益曲線寬度。 第52頁第52頁14 光自激振蕩 一.自激振蕩概念 損耗系數(shù)：光通過單位距離后光強(qiáng)衰減百分?jǐn)?shù) 第53頁第53頁 激光器應(yīng)包括光放大器和光諧振腔兩部分，光腔作用下列： 1模式選擇。確保激光器單模(或少數(shù)軸向模)振蕩，從而提升激光器相干性。 2提供軸向光波模反饋。 第54頁第54頁二、振蕩條件 閾值振蕩：G

16、0= 腔內(nèi)光強(qiáng)維持在初始光強(qiáng) 振蕩條件另一個(gè)形式表示形式： G0l稱為單程小信號增益 第55頁第55頁1.滿足了以上兩個(gè)條件后，還要采用什么辦法使受激輻射成為增益介質(zhì)中主要發(fā)光過程，而不是自發(fā)輻射？2.要使受激輻射幾率遠(yuǎn)不小于自發(fā)輻射幾率，能夠增長增益介質(zhì)長度L3. 技術(shù)上不能把介質(zhì)做得無限長，實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想辦法是：采用光學(xué)諧振腔。如右圖所表示這是一個(gè)簡樸光學(xué)諧振腔平行平面腔。受激光在諧振腔中放大4. 光學(xué)諧振腔作用第56頁第56頁15 激光特性 激光四性：單色性、相干性、方向性和高強(qiáng)度。激光含有很高光子簡并度。 激光能夠在很大相干體積內(nèi)有很高相干光強(qiáng)。激光這一特性正是由于受激輻射本性和光腔選模

17、作用才得以實(shí)現(xiàn)。 第57頁第57頁 一、激光空間相干性和方向性 光束空間相干性相和方向性(光束發(fā)散角)聯(lián)系。 普通光源，有明顯空間相干性條件為：比如，一個(gè)抱負(fù)平面光波是完全空間相干光，同時(shí)它發(fā)散角為零。 第58頁第58頁縱模：光波場沿傳播方向(腔軸方向)分布 E(z)橫模 :光波場在垂直于傳輸方向橫截面上分布E(x,y) ,不同橫模光場分布用TEMmn 表示，TEM代表光波是橫電磁波，m、n 分別表示在x和y方向(軸對稱情況)光場經(jīng)過零值次數(shù)。TEM00模稱為基模其它稱為高次模。 第59頁第59頁 激光束空間相干性和方向性都與激光橫模結(jié)構(gòu)相聯(lián)系同一模式內(nèi)光波場是空間相干，而其次，單橫模結(jié)構(gòu)又具

18、有最好方向性。 如果激光是多橫模結(jié)構(gòu)，不同模式光波場是非相干，因此激光空間相干性程度減小，多橫模就意味著方向性變差(高次模發(fā)散角加大)。這表明，激光方向性越好，它空間相干性程度越高。 第60頁第60頁 限制激光器工作在單橫模TEM00 ，合理選擇光腔類型以及增長腔長以利于提升光束方向性。 許多實(shí)際原因，如工作物質(zhì)不均勻性、光腔加工和調(diào)整誤差等都會造成方向性變差。 激光所能達(dá)到最小光束發(fā)散角還受到衍射效應(yīng)限制，它不能小于激光通過輸出孔徑時(shí)衍射角衍射極限 第61頁第61頁氦氖氣體激光器 不同類型激光器方向性差異很大，它與工作物質(zhì)類型和均勻性、光腔類型和腔長、激勵(lì)方式以及激光器工作狀態(tài)相關(guān)。 第62頁第62頁氣體激光器由于工作物質(zhì)有良好均勻性，并且腔長一股較大，因此有最好方向性103ra