光电子技术学课件之二： ——激光原理和技术简介

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1 光电子技术学课件之二： ——激光原理和技术简介
光电子技术学课件之二： ——激光原理和技术简介 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华 2006 ．9

2 激光原理和技术简介 一、光子的基本特性 爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说,提出了光量子理论:光是一种以光速运动的光子流,光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：

3 (4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应 于光波场的两个独立偏振方向；
(5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（电子的自旋量子数为 ，是费米子。）

4 二、 光辐射的量子理论基础 1、三种跃迁 （1) 受激吸收 为辐射场能量密度
处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。 受激吸收概率： 为E1能级上的原子数密度, 为辐射场能量密度 为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。

5 (2) 自发辐射 处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的 无关） 。
处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的 无关） 。 光子能量： 自发跃迁概率： 单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为： 于是有： 为 自发辐射寿命。

6 受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。
(3) 受激辐射 处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。 受激辐射的概率： 称为爱因斯坦受激发射系数。 受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。

7 2、爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 （同一量子态占据的光子数目）, 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为： 单位时间内， 的原子数数为： 由于系统处于热平衡状态，则应有： 即：

8 所以有： 热平衡状态下， 按波尔兹曼分布： 即：

9 热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：
比较两式有： 上述两式即著名的爱因斯坦关系式。 若两能级的简并度相同，则有：

10 结论： 三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言，自发发射系数 A21 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大， 就越高，A,B的比值就越大，也就是 越高自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。

11 3、 光谱线展宽 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为
以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范围内，这一现象称为光谱线展宽。

12 考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为：
光谱线的线性函数： 其满足归一化条件：

13 （1）、受激辐射下光谱线展宽的类型 均匀展宽： 均匀展宽的特点是，引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。主要有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽。 非均匀展宽： 非均匀展宽的特点是，粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献。这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。

14 （2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。 由傅立叶变换得其频谱分布为：

15 自发辐射的功率为： 总功率为： 所以： 当 有：

16 因此有： 得： 于是有： 也可写成：

17 碰撞展宽 由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的，包括两种情况：激发态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。

18 自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
线宽为：

19 热振动展宽 由于晶格振动引起的，晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中，引起能级振动。这种展宽与温度有关，但其线型函数解析式很难求，只能由实验测出。

20 （3）非均匀展宽的分析 多普勒展宽 由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。 对于一维运动 考虑气体分子热运动的速率统计分布：

21 于是有： 从而有 上式称为多普勒线型 函数，具有高斯函数 形式，相应的线宽为

22 当 时 （最大值） 也可表示为： 多普勒展宽实际上是一种统计结果。

23 残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置的粒子 不同，物质本身原子的无规则排列也会引起。

24 三、激光的产生 1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 hυ=E2-E1
这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。

25 2、激光 激光英文单词为：Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。

26 3、受激辐射和光的放大 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1 跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。

27 4、激光产生的条件 必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式 充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）

28 5、粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

29 6、工作物质、亚稳态 前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。

30 7、形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
二能级系统 考虑一个二能级（ ）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为： 由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有： 单位体积因吸收减少： 单位体积因发射增加： 能量总的变化为：

31 由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：
由爱因斯坦关系得： 由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类： （1）粒子数正常分布，满足： 当物质处于热平衡时有：

32 工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即粒子数正常分布。
由于 于是粒子数分布总有 工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即粒子数正常分布。 正常分布

33 光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。
（2）粒子数反转，满足： 光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。 反转分布

34 二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。
如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为 dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2, 当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2＜n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。

35 激光物质是三能级或四能级结构。 如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使W＞W23或W＞W12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。 n2 n1 n3 E1 E2 E3 三能级系统

36 在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。 四能级系统 E1 E2 E3 E4 N2 n3 n4 (快） (慢） n1

37 8、泵浦源 必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。 从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式， 化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。

38 9、谐振腔 谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光 频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。 光学谐振腔结构

39 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( 延长了工作物质 )
(3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )

40 10、起振条件－－阈值条件， 稳定振荡条件－－增益饱和效应
由于R2<1，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有阈值。 激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象。

41 11、激光产生和激光器的组成 激光器有三部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦源

42 灯泵浦的激光器结构图

43 12、激光的特点 激光与其他光源相比具有三大特点 1 方向性好 2 单色性好 3 相干性好

44 13、常见激光器的种类 固体激光器（红宝石激光器） 气体激光器（氦—氖激光器） 染料激光器（用在液体中能发出荧光的有机染
料分子 作为激活剂） 半导体激光器