1、第八章,现代光学基础,激光原理,激光器是1960年诞生的一种新型光源。激光具有能量集中、方向性强、单色性好和相干性好的一系列优点，因而在科技领域有广泛的应用。可以说，激光的产生与应用为光学的发展开创了一个新的纪元。 激光是受激辐射的光放大的简称，其英文全名为： “light amplification by stimulated emission of radiation”激光是第一个字母的缩写“Laser” 。即激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。 目前，常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器四类。而按激光器的工作方式不同又可分为连
2、续激光器与脉冲激光器。,当光与物质的相互作用时, 原子的能级发生改变:,原子可以从高能级跃迁到低能级, 释放出能量.,原子可以吸收光子从低能级跃迁到高能级.,若以辐射电磁波的形式释放能量辐射跃迁,若释放的能量转化为体系的热运动动能无辐射跃迁,在物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程:,自发辐射, 受激辐射和受激吸收,在实际的粒子系统中, 这三种过程是同时存在并互相关联的.,一、受激吸收、自发辐射和受激辐射,h,外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2 .,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：,B12 吸收系数,令 W12=12 ( 、T),W12 单个原子在单位时间内发生吸
3、收过程的概率.,1、受激吸收,设 N1 、N2 单位体积中 处于E1 、E2 能级的原子数,单位体积单位时间内，从E2 E1自发辐射的原子数：,h,处于高能级E2的原子自发地向低能级E1跃迁而放出光子,单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率.,写成等式,21 自发辐射系数,各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光 .,2、自发辐射,全同光子,处于高能级E2的粒子在外来辐射的作用下,跃迁回低能,级E1,同时发射一个与外来辐射相同频率的光子.,外来光频率满足:,单位体积中单位时间内，,从E E受激辐射的原子数：,其中(,T)表示温度为T,频率为的辐射能量体密,度(外来光子数密度).,3、受
4、激辐射,若写成等式,B21为受激辐射系数,W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率.,则,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同,令 W21 = B21 （,T）,有光的放大作用。,A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数.,1917年爱因斯坦从理论上得出:,爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。,B21 = B12,热平衡时,从E2E1和粒子数应等于从E1E2的粒子数,即:,或:,爱因斯坦关系,4、爱因斯坦关系,处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布,若 E2 E 1，则两能级上的原子数之比:,即能级越高,粒子数越少.,数量级估计：,T
5、103 K；,kT1.3810-20 J 0.086 eV;,E 2-E 11eV;,二、激光的形成,1、粒子数反转,从E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。,必须 N2 N1（ 粒子数反转）。,因 B21=B12, W21=W12,产生激光必须,(2) 外界能源的激励(称为泵或抽运),能破坏热平衡,使处于基态的原子选择性地激发到,高能级,实现两能级E2和E1的粒子数反转.,实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质.,(1) 能实现粒子数反转的介质（激活介质）,外界激励的几种基本方式：,气体放电激励,原子间碰撞激励,光激励(光泵),2、实现粒子数反转的条件,3、
6、能实现粒子数反转的能级系统,亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能级寿命很短（10-8s）。而亚稳态能级的寿命可达ms甚至s数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的条件。 具有亚稳态能级的物质可以作为激光工作物质。 激光工作物质在激励能源的作用下，实现并维持粒子数反转分布状态，通常称为激活介质。激光工作物质参与产生激光的能级有三个或四个，分别叫做三能级系统和四能级系统。,三能级系统 E3与E1构成一个宽吸收带,E3上的原子无辐射跃迁到E2 , E2与E1构成粒子数反转,三能级体系效率不高. 四能级系统 E3
7、 E1寿命短, E2 是亚稳态,因此能容易实现E2与E1能级的粒子数反转,四能级体系效率高,3、能实现粒子数反转的能级系统,3激光器的结构,(1)工作物质;,激光器通常由工作物质、光学谐振腔、激励能源三部分组成。,工作物质的特点： 光学性质均匀、透明性好、稳定性好； 有亚稳态能级； 有较高的量子效率。,受激辐射的光子处于相同状态相干光场.,自发辐射的光子处于非相干状态.,要使受激辐射为主, 则要求 W21=B21() A21,即要求:,即相干光场的单色辐射能量密度大于某个最小值.,要增大()必须使激活介质长度远大于其横向尺寸.,即由自发辐射光子不断引起受激辐射,使()不断增大.,(2)光学谐振
8、腔,光学谐振腔的作用：,使非轴向光逸出腔外,轴向光来回反射;, 延长介质长度,增强光放大;,它由两个反射镜和激活介质构成一个光学谐振腔。,实际介质并不足够长,只有采用光学谐振腔,激励能源,全反射镜,部分反射镜,激光,使激光具有极好的方向性,只沿轴线发射;,使激光具有极好的单色性（选频性）.,对于可能有多种跃迁的情况，利用光的干涉条件,谐振腔的长度与波长满足:,不满足此频率的光将得不到加强而被淘汰.,阈值维持振荡的条件,谐振腔内粒子数反转密度愈大,光放大的增益越高.,同时,光子减少的过程损耗也存在(多种原因).,只有当增益大于损耗时,才能维持光振荡.,维持振荡所需最小反转密度叫阈值反转密度.,只
9、有外界提供的能量超过其阈值时才能有激光输出.,(3)激励能源,为工作物质提供能量，使其实现并维持粒子数反转的装置称为泵 ，常用的泵有： 化学泵 气体放电泵 离子束泵,三、激光的特性及其应用 1、激光的特性,方向性好 激光能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-510-8球面度。 亮度高 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 单色性好 如HeNe激光器发射的632.8nm的谱线宽度仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。 相干性好普通光源（如钠
10、灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。,2、激光的应用,激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科，主要分为以下几类： 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶
11、、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。,激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。 激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。,2、激光的应用,激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。 激光武器：激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲区”，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补充。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。,2、激光的应用,
