第八章現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

第八章現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)激光發(fā)展簡(jiǎn)史激光簡(jiǎn)介非線性光學(xué)理論基礎(chǔ)：愛因斯坦的光子學(xué)說(shuō)(1905)；波粒二象性(1909)輻射理論(1917)：提出了受激輻射的概念，預(yù)測(cè)到光可以產(chǎn)生受激輻射放大。Einstein激光發(fā)展簡(jiǎn)史理論基礎(chǔ)：

R.C.Tolman指出：具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有光學(xué)增益（產(chǎn)生激光的基本條件之一）（1924）。Tolman激光發(fā)展簡(jiǎn)史實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：Prokhorov和H.Townes分別獨(dú)立報(bào)導(dǎo)了第一個(gè)微波受激輻射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov激光發(fā)展簡(jiǎn)史

1958年Townes和Schawlow拋棄了尺度必須和波長(zhǎng)可比擬的封閉式諧振腔的老思路，提出利用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開放式光諧振腔實(shí)現(xiàn)Laser的新想。Schawlow激光發(fā)展簡(jiǎn)史美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在1960.5.16利用紅寶石棒首次觀察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器；他在Nature(8月16日)發(fā)表了一個(gè)簡(jiǎn)短的通知。Maiman激光發(fā)展簡(jiǎn)史1961年研制出中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器

1960年梅曼研制成功世界上第一臺(tái)可實(shí)際應(yīng)用的紅寶石激光器激光發(fā)展簡(jiǎn)史一、激光的產(chǎn)生與激光器二、激光的特性與應(yīng)用光的光增益光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光的條件激光器激光的特性激光的應(yīng)用激光原理高能級(jí)低能級(jí)1.原子數(shù)按能級(jí)分布熱平衡時(shí)，單位體積內(nèi)處于各個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)分布玻爾茲曼分布律:ENE2E1N2N1光的光增益受激吸收自發(fā)輻射受激輻射光子與原子分子相互作用離子2.光與物質(zhì)相互作用光的光增益1)受激吸收過(guò)程外來(lái)光子:能級(jí)躍遷:2.光與物質(zhì)相互作用光的光增益受激吸收愛因斯坦系數(shù)粒子體系在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)吸收的光子數(shù)B12·(21)·N1低能級(jí)E1的粒子數(shù)密度外來(lái)光場(chǎng)中頻率的能量密度W12=B12·(21)受激吸收概率:光的光增益2)自發(fā)輻射過(guò)程高能級(jí)上的粒子自發(fā)地低能級(jí)躍遷激活粒子的平均壽命:2自發(fā)輻射概率為:光的光增益

設(shè)粒子體系處于能級(jí)E2上的粒子數(shù)密度為N2一般激發(fā)態(tài)粒子壽命:某些物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí):單位體積、單位時(shí)間內(nèi)因自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子數(shù)是：A21N2自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)光的光增益3)受激輻射過(guò)程趨近高能級(jí)E2上的粒子時(shí)外來(lái)光子滿足頻率條件:感應(yīng)躍遷至低能級(jí)E1發(fā)射一個(gè)全同光子(頻率相同、傳播方向相同、偏振方向相同）光放大光的光增益B21·(21)·N2在光場(chǎng)

(21)作用下,單位時(shí)間、單位體積內(nèi)受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)為:W21=B21·(21)受激輻射概率受激輻射愛因斯坦系數(shù)B21·(21)=B12·(21)躍遷概率相等:

受激吸收受激輻射同時(shí)存在光的光增益受激吸收總是占優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為光的吸收通常情況下：N1N2B21·(21)·

N1B12·(21)·

N2

粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)受激輻射占優(yōu)勢(shì)為得到光放大,必須使N2

N1光的光增益視頻1)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件電激勵(lì)化學(xué)激勵(lì)熱激勵(lì)光激勵(lì)(A)

激勵(lì)(又稱泵浦)3.介質(zhì)對(duì)光的增益作用光的光增益光激勵(lì)光的光增益電激勵(lì)光的光增益(B)合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)

二能級(jí)系統(tǒng)

用光泵的方法不可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光的光增益

三能級(jí)系統(tǒng)當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)時(shí)，有可能使,在能級(jí)E3

于E2

間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光的光增益E3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)在

E2和E1能級(jí)間也有可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N紅寶石激光器的工作物質(zhì)：紅寶石——是摻有少量鉻離子（Cr3+)的（Al2O3)晶體。采用光激勵(lì)方法：受激和發(fā)光都在Cr3+上進(jìn)行，是典型的三能級(jí)系統(tǒng)。光的光增益

四能級(jí)系統(tǒng)

比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。光的光增益

氦氖氣體激光器是四能級(jí)系統(tǒng)氖原子在間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光的光增益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移zdz增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的工作物質(zhì)2)介質(zhì)的增益作用zdI(z)zz+dzL通過(guò)增益介質(zhì)后,光強(qiáng)隨距離增長(zhǎng)介質(zhì)對(duì)光的增益系數(shù)光的光增益一對(duì)反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。1.光學(xué)諧振腔的作用光學(xué)諧振腔激光在兩反射鏡間形成駐波。諧振條件為：2nL=q=qc2nL

L:

腔長(zhǎng)n:

氣體折射率振蕩模式

是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式，用TEMmnq表示。

m和n表征該模式在垂直于腔軸內(nèi)形成駐波的節(jié)點(diǎn)數(shù),稱橫模數(shù)。

q表示該模式在光腔軸的平面內(nèi)形成的節(jié)點(diǎn)數(shù)，稱縱模數(shù)。1.縱模能引起振蕩的頻率關(guān)系2.橫模光場(chǎng)在橫向不同的穩(wěn)定分布。光學(xué)諧振腔IxyITEM00橫模IyIxTEM10yIIxTEM11光學(xué)諧振腔(1)

要有適當(dāng)?shù)募す夤ぷ魑镔|(zhì)(2)

要有外界激勵(lì)源(3)

要有激光諧振腔激光形成的基本條件1.激光形成的基本條件產(chǎn)生激光的條件2.激光形成的閾值條件光在諧振腔內(nèi)受到各種損耗:(1)

反射鏡的透射損耗(2)

諧振腔的內(nèi)部損耗I3I1I0rr12內(nèi)I4I2光在腔內(nèi)往返一次不會(huì)被衰減的條件，即形成激光振蕩的閾值條件：內(nèi)閾內(nèi)產(chǎn)生激光的條件產(chǎn)生激光的條件由以上討論可將激光工作原理總結(jié)如下：(1)工作物質(zhì)在激勵(lì)能源激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(2)由自發(fā)輻射產(chǎn)生的少數(shù)沿腔軸方向傳播的光子在工作物質(zhì)中引起受激輻射(3)光學(xué)諧振腔使受激輻射的光子在腔內(nèi)往返振蕩，不斷得到放大(4)滿足閾值條件下形成激光1.激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)激光器固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分類2.激光器的分類激光器氣體激光器工作物質(zhì)：原子氣體、分子氣體和離子氣體氦氖激光器氬離子激光器液體激光器工作物質(zhì)：有機(jī)染料溶液和無(wú)機(jī)化合物溶液。染料激光器半導(dǎo)體激光器紫外激光器可見光激光器紅外激光器按波段范圍分類激光器脈沖激光器連續(xù)波激光器按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類激光束發(fā)散角小，接近衍射極限，約為10-3rad量級(jí)，對(duì)應(yīng)的主體角在10-6sr量級(jí)。普通光源發(fā)出的光輻射沿4立體角分布，比激光束大106倍。激光束是高度平行的光束。1.方向性好激光的特性光波的單色性可表示為氦氖激光的單色性比單色性最好的普通光源，如氪燈好倍。譜線寬度中心波長(zhǎng)=2.單色性好激光的特性3.亮度高激光器能產(chǎn)生寬度極窄的光脈沖，使用開關(guān)的激光器，可輸出脈寬10-9s左右的光脈沖，使用鎖模技術(shù)，可產(chǎn)生10-14s的光脈沖。由于能量被集中在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)，因此光功率極高。激光的特性由于激光具有高單色性和高定向性，決定了激光具有極好的時(shí)間相干性和空間相干性。特制的氦氖激光器輸出的光束，相干長(zhǎng)度達(dá)2107km。氪燈只有38.5cm。4.相干性好激光的特性1.激光加工利用聚焦激光束具有極高功率密度的特性，可以對(duì)材料進(jìn)行打孔、切割、焊接、劃片、雕刻、去重和熱處理。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)實(shí)體接觸、加工精度高(1m以下)、畸變小、節(jié)能。激光的應(yīng)用激光打孔激光切割激光焊接2.激光精密計(jì)量激光的單色性好，相干性強(qiáng)，用作計(jì)量檢測(cè)，具有很高的精度。

激光測(cè)距儀3.激光信息處理

激光的相干性好，用它作為光源，能夠使存儲(chǔ)、