第二章激光的產(chǎn)生及特性第二章激光的產(chǎn)生及特性激光(laser)是光的受激輻射光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)的縮寫。愛因斯坦在1917年研究黑體輻射時，曾預言受激輻射的存在，直到1960年，梅曼制成世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。證明了愛因斯坦預言的正確性。激光產(chǎn)生的原理激光(laser)是光的受激輻射光放大(LightAm等同于能源等同于放大器等同于反饋回路振蕩器與激光器等同于能源等同于放大器等同于振蕩器與激光器激光器的三個主要組成部分1.工作物質：有合適的能級結構能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉2.激勵能源：使原子激發(fā)維持粒子數(shù)反轉3.光學諧振腔保證光放大使激光有良好的方向性和單色性諧振腔激勵系統(tǒng)工作物質激光器的三個主要組成部分1.工作物質：有合適的能級結構能實現(xiàn)激光器種類：固體（如紅寶石Al2O3:Cr，YAG:Nd)液體（如染料激光器）氣體（如He-Ne，CO2）半導體（如GaAs、InGaN）2、按工作方式分：1、按工作物質分：連續(xù)式脈沖式3、按波長分：極紫外──可見光──紅外/遠紅外激光器種類：固體（如紅寶石Al2O3:Cr，YAG:Nd)激光介質由摻雜于固體基質中的金屬離子（也稱激活離子）和基質所組成。工作物質的物理、化學性能主要取決于基質材料，它的光譜特性主要由激活離子的能級結構決定，但受基質材料的影響，光譜特性將有所變化，有的甚至變化很大。固體激光器(Solid-statelasers)激光介質由摻雜于固體基質中的金屬離子（也稱激活離子）和基質所可作激活離子的元素有四大類：過渡族金屬離子、三價稀土金屬離子、二價稀土金屬離子、錒系離子，覆蓋的波長275-3022nm。工作物質：摻雜離子的絕緣晶體或玻璃工作物質可作激活離子的元素有四大類：過渡族金屬工作物質：摻雜離子的絕基質材料分為玻璃和晶體兩大類常用的基質玻璃有：硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟化物玻璃晶體有金屬氧化物、氟化物、酸鹽晶體典型代表有紅寶石、Nd3+：YAG、釹玻璃激光器特點：能量大、峰值功率高、結構緊湊、牢固耐用等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面基質材料分為玻璃和晶體兩大類常用的基質玻璃有：硅酸鹽玻璃、硼固體激光器激勵方式：光泵浦。波長范圍：紫外到紅外最常用的泵浦光源有惰性氣體放電燈、金屬蒸氣燈、鹵化物燈、半導體激光器、日光泵等，日光泵適用于空間技術中的激光器。用半導體激光二極管泵浦的固體激光器是90年代激光發(fā)展的主要方向之一，兼容了二者的優(yōu)點，泵浦效率高，體積小、結構緊湊固體激光器激勵方式：光泵浦。波長范圍：紫外到紅外最常用的泵浦固體激光器：由工作物質、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻濾光系統(tǒng)四個主要部分組成有連續(xù)工作和脈沖工作方式固體激光器：由工作物質、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻濾光系統(tǒng)四個主紅寶石激光器(RubyLaser)n1>>n2氙燈泵浦n1減少，n2增加自發(fā)輻射（熒光）氙燈光強繼續(xù)增加到n2>n1粒子數(shù)反轉分布光放大器光強繼續(xù)增加到某一閾值激光滿足振蕩條件紅寶石是摻有少量Cr3+離子的Al2O3單晶。E1為基態(tài)，E2為亞穩(wěn)態(tài)，E3是大量能級組成的能帶。光放大在E2和E1間產(chǎn)生，相應波長為694.3nm。三能級系統(tǒng)。紅寶石激光器(RubyLaser)n1>>n2氙燈泵浦n1梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器固體激光器固體激光器氣體激光器:以氣體或金屬蒸氣為工作物質氣體激光器:以氣體或金屬蒸氣為工作物質氣體激光器的工作物質種類多，又能采用多種激勵方式，所以覆蓋的波段寬，從紫外到遠紅外波。是目前種類最多、激勵方式最多樣化、激光波長分布區(qū)域最寬、應用最廣泛的一類激光器。激勵方式:氣體放電和電子束激勵特點：輸出光束的質量好波長范圍氣體激光器的工作物質種類多，又能采用多激勵方式:氣體放電和電He-Ne激光器的結構形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成，放電管是He-Ne激光器的心臟，是產(chǎn)生激光的地方，放電管通常由毛細管和貯氣室構成。He-Ne(氦-氖)激光器氦一氖氣體激光器：原子激光器類，1961年實現(xiàn)激光輸出，多采用連續(xù)工作方式，輸出功率與放電毛細管長度有關；輸出激光方向性好，（發(fā)散角達1mrad以下），單色性好（可小于20Hz），輸出功率和波長能控制得很穩(wěn)定He-Ne激光器的結構形式很多，但都是由激光管和激He-Ne：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)R1、R2：兩鏡面曲率半徑，L：腔長工作物質存在亞穩(wěn)態(tài)，有激勵源供給能量。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關。同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性沿光軸方向（縱向）場分布E(z)－縱模5782m)，準分子激處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的物質光波模式和光子狀態(tài)是等效的，也就是說一種光波模式對應一個光子狀態(tài)，因此同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的；方向性:圖給出了半導體激光束的空間分布示意圖。He-Ne(氦-氖)激光器激光高方向性、高單色性等特點能夠實現(xiàn)。染料分子能級圖是如圖所示的準連續(xù)態(tài)能級結構。激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。對于單基模結構，因為是同一模式的光波場與四能級系統(tǒng)的激光下能級在基態(tài)之上，n2=0，只須將個粒子激發(fā)到能級E3上就能使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光；物理意義是在小于或等于相干長度范圍內(nèi)的任意兩點間的光場都是完全相干的Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。當L＝R/2時為半共焦腔，氣體激光器：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)氣體激光器液體激光器工作物質：有機染料溶液波長范圍：紫外到近紅外激勵方式：光泵浦特點輸出激光波長可調諧且調諧范圍廣；激光脈沖寬度窄；激光輸出功率大；激光工作物質均勻性好；液體激光器工作物質：有機染料溶液波長范圍：紫外到近紅外激勵方液體激光器液體激光器半導體激光器工作物質：半導體材料波長范圍：紫外到極遠紅外激勵方式：PN結注入電流激勵；電子束激勵；光激勵碰撞電離激勵特點：超小型；高效率；結構簡單；價格便宜；高速工作半導體激光器工作物質：半導體材料波長范圍：紫外到極遠紅外激勵半導體激光器半導體激光器其它激光器光纖激光器化學激光器氣動激光器色心激光器自由電子激光器單原子激光器X射線激光器其它激光器光纖激光器應用加工鉆孔（燒穿）：效率高，可加工硬質合金鉆石等；焊接（燒熔）：迅速，非接觸，可在空氣中進行；切割（連續(xù)打孔）：如芯片電路的準確分割，調節(jié)精密電阻，繪制集成電路圖，控制光柵刻機等。利用激光高強度，良好的聚焦性（平行性）應用加工鉆孔（燒穿）：效率高，可加工硬質合金鉆石等；焊接（燒應用測量：準直，測距等醫(yī)療：激光手術刀，血管內(nèi)窺鏡，致癌等軍事：激光制導，激光炮等核技術：激光分離同位素、激光核聚變應用測量：準直，測距等醫(yī)療：激光手術刀，血管內(nèi)窺鏡，致癌等軍應用利用激光極好的相干性精密測長、測厚、測角，測流速，定向，測電流，電壓，激光雷達（分辨率高，可測云霧）探測：微電子器件表面探測，單個原子探測全息技術：全息存儲，全息測量，全息電影、全息攝影等激光光纖通訊：載波頻率高（1011-1015Hz）信息容量大，清晰，功耗小，抗抗干攏性強應用利用激光極好的相干性精密測長、測厚、測角，測流速，定向，

激光核聚變激光核聚變靶室，在靶室內(nèi)十束激光同時聚向一個產(chǎn)生核聚變反應的小燃料樣品上，引發(fā)核聚變。激光核聚變激光核聚變靶室，在靶室內(nèi)十束激光同時聚向一個產(chǎn)生精密測長、測厚、測角，測流速，定向，測電流，電壓，激光雷達（分辨率高，可測云霧）一般激光器是多縱模輸出，如果采取措施，可以輸出單縱模，大大提高激光色性。是實際激發(fā)到能級E3的粒子數(shù)與他們能躍遷到能級E2上的粒子數(shù)比，其比值小于1功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比中E1是基態(tài)，E2是具有較長壽命的能級，稱為亞穩(wěn)態(tài)，E3是由而導致反轉程度減弱，從而光學諧振腔激光器所發(fā)出的光波場規(guī)律呈高斯曲線分布，在波陣面上振幅分布是不均勻的封離式CO2激光器結構示意圖醫(yī)療：激光手術刀，血管內(nèi)窺鏡，致癌等磷酸鹽玻璃、氟化物玻璃與傳播軸線相交于z點的He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條:N20是t=0時的N2值價帶頂電子占據(jù)幾率則為光學干涉測量方法的精度和量限可調諧固體激光器主要有兩類：受激吸收躍遷率W12氦一氖氣體激光器：原子激光器類，1961年實現(xiàn)激光(5)R1=-20,R2=-10,L=50（3）E2上粒子數(shù)本來很少，只要E3上粒子稍有增加，就會達到。

激光焊接高能激光（能產(chǎn)生約5500oC的高溫）把大塊硬質材料焊接在一起精密測長、測厚、測角，測流速，定向，測電流，電壓，激光雷達（用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復位（目前已是常規(guī)的醫(yī)學手術）用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復位（目前已是常規(guī)的醫(yī)學手術）光盤存儲光盤存儲光纖通信50m100m皮芯（石英）光導纖維光纜光放大器光纜金華傳導原理：全反射光纖通信50m100皮芯（石英）光導纖維光纜光放大器光金2.1光的自發(fā)輻射與受激輻射光的受激輻射概念的產(chǎn)生普朗克——1900年，輻射量子化假設；波爾——1913年，原子中電子運動狀態(tài)的量子化假設；愛因斯坦——1917年，提出受激輻射概念。黑體輻射規(guī)律H原子光譜實驗規(guī)律2.1光的自發(fā)輻射與受激輻射光的受激輻射概念的產(chǎn)生普朗克—1.黑體輻射的Planck公式：任何物質在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。黑體：能夠完全吸收任何波長的電磁輻射的物體。熱平衡狀態(tài)：黑體吸收的輻射能量=黑體發(fā)出的輻射能量空腔輻射體1.黑體輻射的Planck公式：任何物質在一定溫度下都要輻單色能量密度在單位體積V內(nèi)，頻率處于v處的單位頻率間隔內(nèi)的電磁輻射能量E單色能量密度在單位體積V內(nèi)，頻率處于v處的單位頻率間隔內(nèi)的電Planck輻射能量量子化假說熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式上的平均能量腔內(nèi)單位體積中頻率處于附近單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)黑體輻射Planck公式：Planck輻射能量量子化假說熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配腔內(nèi)2.躍遷：躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：低吸收能量高輻射躍遷：高輻射能量低（自發(fā)輻射）2.躍遷：躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。3.受激輻射愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達到熱平衡，還必須存在受激輻射。能級的簡并度同一能級可以對應若干能態(tài)，與一個能級相對應的能態(tài)數(shù)定義3.受激輻射愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻激光具有很好的相干性。基(橫)模TEM00Ar＋激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。3/314=1.極紫外──可見光──紅外/遠紅外同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性2、工作物質能實現(xiàn)能態(tài)集居數(shù)反轉分布的條條件？上固體激光器的基本結構與工作物質把dN/dt=0時所需的反轉粒子數(shù)度述條件是必要條件還是充分條件？為什么？輸出激光方向性好，（發(fā)散角達1mrad以第二章激光的產(chǎn)生及特性光波模式和光子狀態(tài)是等效的，也就是說一種光波模式對應一個光子狀態(tài)，因此同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的；一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩具有良好的熱學性質熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為激光加工、激光手術、激光武器等就利用了高亮度的特點。（2）圓形鏡面共焦腔模式的空間分布子、錒系離子，覆蓋的波長275-3022nm。是目前種類最多、激勵方式最多受激吸收自發(fā)輻射受激輻射光子與原子分子相互作用離子光與物質相互作用激光具有很好的相干性。受激吸收光子與原子分子相互作用離子光一）自發(fā)輻射自發(fā)輻射躍遷定義在沒有外界電磁場輻射作用的情況下，處于高能態(tài)E2的一個原子可以自發(fā)向低能態(tài)E1躍遷，與此同時發(fā)射一個能量為E2-E1＝hv的光子發(fā)光前發(fā)光后----由原子自發(fā)躍遷所發(fā)射光子一）自發(fā)輻射自發(fā)輻射躍遷定義在沒有外界電磁場輻射作用的情況下自發(fā)躍遷幾率A21定義單位時間內(nèi)，處于高能態(tài)的N2個孤立原子（原子間的相互作用忽略不計）中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)密度dN21/dt與總粒子數(shù)密度N2的比值

定義表達式自發(fā)躍遷的過程只與原子本身性質有關，與外界輻射關，A21只決定于原子本身的性質，自發(fā)躍遷幾率A21也稱為愛因斯坦A系數(shù)。自發(fā)躍遷幾率A21定義單位時間內(nèi)，處于高能態(tài)的N2個孤立原子減少率dN2

式中N20是t=0時的N2值

是N20個原子在能態(tài)E2上的平均停留時間，也叫原子在能態(tài)E2上的平均壽命，數(shù)值上它等于自發(fā)躍遷幾率倒數(shù)

減少率dN2式中N20是t=0時的N2值是N20個原子在二）受激輻射受激輻射躍遷定義當存在外界電磁輻射時，原子系統(tǒng)與外界電磁輻射相互作用，處于高能態(tài)E2的原子在頻率為的輻射的作用下，可受激地從能態(tài)E2向能態(tài)E1躍遷，并發(fā)射一個能量為光子發(fā)光前發(fā)光后---由受激輻射躍遷發(fā)射光子二）受激輻射受激輻射躍遷定義當存在外界電磁輻射時，原子系統(tǒng)與受激輻射躍遷幾率W21定義單位時間內(nèi)，處于高能態(tài)的N2個孤立原子（原子間的相互作用忽略不計）中發(fā)生受激躍遷的原子數(shù)密度dN21/dt與總的粒子數(shù)密度N2的比值定義表達式受激輻射除與原子性質有關，還與輻射場能密度成正比比例系數(shù)B21稱為受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)或愛因斯坦B系數(shù)，它只與原子性質有關。受激輻射躍遷幾率W21定義單位時間內(nèi)，處于高能態(tài)的N2個孤立三）受激吸收---由受激輻射的逆過程受激吸收躍遷定義當存在外界電磁輻射時，原子系統(tǒng)與外界電磁輻射相互作用，處于低能態(tài)E1的原子在頻率為的輻射的作用下，可受激地從能態(tài)E1向能態(tài)E2躍遷，并發(fā)射一個能量為光子

吸收前吸收后三）受激吸收---由受激輻射的逆過程受激吸收躍遷定義當存在外受激吸收躍遷幾率：：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關受激吸收躍遷率W12

受激吸收躍遷幾率：：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質波爾茲曼公式普郎克公式四）愛因斯坦三系數(shù)之間的關系波爾茲曼公式普郎克公式四）愛因斯坦三系數(shù)之間的關系四）愛因斯坦三系數(shù)之間的關系四）愛因斯坦三系數(shù)之間的關系氣體（如He-Ne，CO2）光波模式和光子狀態(tài)是等效的，也就是說一種光波模式對應一個光子狀態(tài)，因此同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的；波長范圍：紫外到極遠紅外圖是一種典型的結構示意圖。光器(主要在紫外區(qū))以及這些激光的二次、三次諧波等。大功率光纖耦合輸出的半導體激光閾值反轉集居數(shù)密度：（f）當有的外來光激發(fā)時，便會發(fā)生受激輻射（外激式）。閾值電流密度:影響閾值的因素很多圖是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。Ar＋激光器的結構它屬于四能級系統(tǒng)。不同橫模具有不同的衍射損耗，激光具有很好的相干性。輻射光的光譜特性應與激光工作物質的吸收光譜相匹配普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里。6m,L=1m,2a=20mm=5.Ar＋激光器與激光輻射有關的能級結構如圖所示所謂腔的穩(wěn)定性，只是指傍軸光線能否在腔內(nèi)往返無限次而不致于橫向逸出，也就是腔內(nèi)傍軸光束損耗的高低的問題。用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復位自發(fā)輻射和受激輻射的不同點

自發(fā)輻射躍遷與受激輻射躍遷過程是兩個不同的物理過程，它們所產(chǎn)生的輻射性質也不同，對于自發(fā)輻射來說，它是原子在不受外界輻射場的影響下產(chǎn)生的，而單個原子的自發(fā)輻射的相位是隨機的，因此大量的自發(fā)輻射是不相干的。而與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射是在外界輻射場的作用下產(chǎn)生的，受激輻射光子與激勵光子具有相同的頻率、相位、波矢和偏振狀態(tài)，也就是說受激輻射光子與入射光子屬于同一態(tài)的光子，因此受激輻射是相干的。？受激輻射光子與入射光子屬于同一態(tài)的光子？受激輻射光子與激勵光子具有相同的頻率、相位、波矢和偏振狀態(tài)氣體（如He-Ne，CO2）自發(fā)輻射和受激輻射的不同點2.2介質的增益和增益飽和一）介質增益波爾茲曼分布定律N1和N2分別是能級E1和E2上的粒子數(shù)，g1、g2分別是能級E1和E2的簡并度，k是波耳茲曼常數(shù)。2.2介質的增益和增益飽和一）介質增益波爾茲曼分布定律N1吸收介質

原子集居數(shù)反轉分布負溫度狀態(tài)增益介質

處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的物質在光頻區(qū)hv≥kT吸收介質原子集居數(shù)反轉分布負溫度狀態(tài)增益介質處于粒子數(shù)反正常分布受激吸收占主導光衰減，吸收

反轉分布受激輻射占主導光放大有增益正常分布受激吸收占主導光衰減，吸收反轉分布增益系數(shù)G描述光強經(jīng)過單位距離后的增長率

介質的增益增益系數(shù)G介質的增益定義：

當某一頻率為的光束通過激活介質時，光通量獲得放大，即光強越強，意味著單位時間內(nèi)從亞穩(wěn)態(tài)向下躍遷的粒子數(shù)就越多，從而導致反轉程度減弱，從而使增益系數(shù)變小

增益系數(shù)不僅與集居數(shù)反轉分布有關，還與光通量有關二）增益飽和效應定義：增益系數(shù)不僅與集居數(shù)反轉分布有關，二）增益飽和效應2.3光的受激放大和振蕩大量能帶組成的能級E3E2E1亞穩(wěn)態(tài)（壽命較長）基態(tài)VGE4E1E2E3VG泵浦Vp三能級模型

四能級模型

2.3光的受激放大和振蕩大量能帶組成的能級E3E2E1亞穩(wěn)泵浦Vp大量能帶組成的能級E3E2E1亞穩(wěn)態(tài)（壽命較長）基態(tài)VG三能級模型

受激輻射熱平衡狀態(tài)N1≥N2

氙燈激勵紅寶石棒

能帶E3受激吸收躍遷N1減少

亞穩(wěn)態(tài)E2E3壽命短

S32N2＞N1

泵浦

集居數(shù)反轉

E2上粒子到E1

產(chǎn)生激光泵大量能帶組成的能級E3E2E1亞穩(wěn)態(tài)（壽命較長）基態(tài)VG三（c）E2為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，新增加的粒子能夠保持在E2上。（b）E3態(tài)壽命極短，抽運到E3上的粒子很快通過非輻受馳豫躍遷到E2上,減少的能量變成熱運動能量。（a）隨著V(p)迅速增加，E1上的粒子被快速抽運到E3上，N1迅速減少。（1）三能級中，E1

為基態(tài)，E2

和E3為激發(fā)態(tài)，E2又是亞穩(wěn)態(tài)。（2）抽運過程（c）E2為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，新增加的粒子能夠（b）E3態(tài)（d）N1

不斷減少，新N3不斷無輻射躍遷到E2上，N3始終少于N1，N1不斷被抽運。（g）工作物質最初的幾個自發(fā)輻射光子也能引起受激輻射（自激式）。（e）N2不斷增多，加之原有的粒子，E2是亞穩(wěn)態(tài)，能夠實現(xiàn)。（f）當有的外來光激發(fā)時，便會發(fā)生受激輻射（外激式）。（d）N1不斷減少，新N3不斷無輻射躍遷到E2上，N3（g控制光柵刻機等。圖GaAs激光器的結構如圖所示，A表示較高激發(fā)態(tài)，B表示激光上能級，C表示基態(tài)。改善方向性，壓縮發(fā)散角a)單透鏡對高斯光束發(fā)射角準直泵浦光源應當滿足兩個基本條件利用激光高強度，良好的聚焦性（平行性）半導體激光器泵浦固體激光器的結構示意圖W(z)，R(z)，θ在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準器的氪燈（K186）；輸出激光方向性好，（發(fā)散角達1mrad以因此量子效率很高，這是準分子激光器可能達到高效率的主要原因。He-Ne激光器的基本結構形式1光的自發(fā)輻射與受激輻射受激吸收躍遷率W12化學激光器具有如下三方面的特點因此量子效率很高，這是準分子激光器可能達到高效率的主要原因。因此量子效率很高，這是準分子激光器可能達到高效率的主要原因。反轉分布受激輻射占主導光放大有增益將化學能直接轉換成激光。（4）該系統(tǒng)效率不高的原因：抽運前粒子幾乎全部處于基態(tài)E1，只有激勵能源很強、抽運很快。才能實現(xiàn)。（3）梅曼（T.H.Maiman）于1960年制成的第一臺紅寶石激光器，就是一個三能級系統(tǒng)激光器。控制光柵刻機等。（4）該系統(tǒng)效率不高的原因：抽運前粒子幾乎全

E1、E2和E3是Cr3+離子在Al2O3晶格中具有的能級示意圖，其中E1是基態(tài)，E2是具有較長壽命的能級，稱為亞穩(wěn)態(tài)，E3是由大量能級組成的能帶。在熱平衡狀態(tài)下，處在基態(tài)E1上的集居數(shù)N1比處在亞穩(wěn)態(tài)E2上的集居數(shù)N2大得多，即N1≥N2，（實際上N2約為0）。當氙燈激勵紅寶石棒時，大量基態(tài)Cr3+離子受激吸收躍遷到達能帶E3內(nèi)，因而E1上的粒子數(shù)N1減少，但Cr3+離子在E3上的壽命很短，它們很快通過非輻射馳豫過程（用S表示）躍遷到壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)E2上，其上就積累了大量的粒子，即N2不斷增多，并在此壽命時間內(nèi)暫時使N2偏離熱平衡的波耳茲、曼分布，此過程稱為氙燈的抽運（泵浦）過程。只有當氙燈的光強強到一定程度時，有可能暫時N2

＞N1

，即達到集居數(shù)反轉狀態(tài)，這樣，E2上粒子躍遷回到E1時，便產(chǎn)生受激輻射，從而產(chǎn)生激光。E1、E2和E3是Cr3+離子在Al2O3晶格中具有E4E1E2E3VG泵浦Vp產(chǎn)生激光S21E1上的粒子數(shù)Vp受激吸收能帶E4壽命短非輻射馳豫S43亞穩(wěn)態(tài)E3壽命較長VG能帶E2壽命短非輻射馳豫能帶E1N2=0四能級模型

E4E1E2E3VG泵產(chǎn)生激光S21E1上的粒子數(shù)Vp受激吸（4）E4向E3上非輻射馳豫躍遷愈快，E2向E1上過渡愈快，工作效率愈高。（1）四能級系統(tǒng)中，E1為基態(tài)，E3

、E2和E4為激發(fā)態(tài)，E3又是亞穩(wěn)態(tài)。（2）在亞穩(wěn)態(tài)E3和激發(fā)態(tài)E2之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。（5）He－Ne激光器是四能級系統(tǒng)。（3）E2上粒子數(shù)本來很少，只要E3上粒子稍有增加，就會達到。（4）E4向E3上非輻射馳豫躍遷愈快，E2向E1上過渡愈快，比如：He－Ne激光器：632.8nm和1152.3nm氬離子激光器：輻射的波長數(shù)更多，最強的是：488.0nm和514.5nm。二、三或四能級圖僅是簡化模型激光工作物質的實際能級系統(tǒng)比較復雜，可以發(fā)射多種波長的激光。5）實現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉的條件：工作物質存在亞穩(wěn)態(tài)，有激勵源供給能量。比如：He－Ne激光器：632.8nm和1152.3nm氬

產(chǎn)生激光的能級是激發(fā)態(tài)E3和E2能級，在泵浦的作用使大量基態(tài)E1的Nd3+離子受激吸收躍遷到達能帶E4內(nèi)，但Nd3+離子在E4上壽命極短，很快通過非輻射馳豫過程（用曲線箭頭S43表示）躍遷到壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)E3上。而能級E2的壽命又很短，進入該能態(tài)的粒子又很快非輻射躍遷（又S21表示）到基態(tài)，所以N2約為0，這樣N3≥N2，在能態(tài)E3和能態(tài)E2間實現(xiàn)了集居數(shù)分布反轉。三能級模型與四能級模型相比，在實現(xiàn)集居數(shù)分布反轉上，要比四能級困難。四能級與三能級模型的主要區(qū)別？產(chǎn)生激光的能級是激發(fā)態(tài)E3和E2能級，在泵浦的作用使要求泵浦光足夠強（Vp＞VG）

內(nèi)部條件泵浦吸收帶壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)三能級E3四能級E4產(chǎn)生激光的上能級外部條件實現(xiàn)能態(tài)集居數(shù)反轉的條件要求泵浦光足夠強（Vp＞VG）內(nèi)部條件泵浦吸收帶壽命較長的還必須使激活介質（實現(xiàn)能態(tài)集居數(shù)分布反轉的工作介質）置于由兩個反射鏡（可以是平面或球面）所組成的諧振腔內(nèi)，腔鏡的作用是提供反饋。損耗的損耗系數(shù)為α

指光通過單位距離后光強衰減的百分數(shù)

激光振蕩的條件：G（I）＝α條件為必要條件Why?還必須使激活介質（實現(xiàn)能態(tài)集居數(shù)分布反轉的工作介質）置于由兩思考題1、用三能級模型說明如何實現(xiàn)粒子分布反轉狀態(tài)？為什么說三能級系統(tǒng)實現(xiàn)能態(tài)集居數(shù)分布反轉要比四能級系統(tǒng)困難？2、工作物質能實現(xiàn)能態(tài)集居數(shù)反轉分布的條條件？上述條件是必要條件還是充分條件？為什么？3、自發(fā)輻射與受激輻射的根本差別？4、何為增益飽和效應？5、固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器的工作物質、激勵方式及工作波長范圍思考題1、用三能級模型說明如何實現(xiàn)粒子分布反轉狀態(tài)？為什么說2.4光學諧振腔及激光模式一）光學諧振腔只要在有一定長度的光放大器兩端放置兩個反射鏡形成光諧振腔。軸向光波模能在反射鏡間往返傳播。等效于增加放大器長度。光諧振腔的這種作用稱為光的反饋。1、定義2、諧振腔結構由兩個球面反射鏡組成共軸系統(tǒng),即兩鏡面的軸線(鏡面頂點與曲率中心聯(lián)線)重合.2.4光學諧振腔及激光模式一）光學諧振腔只要在有一定長度3、光學諧振腔的作用（1）提供光的正反饋，實現(xiàn)光的受激輻射放大。（2）使激光產(chǎn)生極好的方向性。（3）使激光的單色性好。提高激光的單色性選擇激光的方向性維持光振蕩3、光學諧振腔的作用（1）提供光的正反饋，實現(xiàn)光的受激輻射放4、光學諧振腔的分類共軸球面光學諧振腔

共軸球面鏡曲率半徑為R1和R2的兩個球面構成腔，腔長為L，兩鏡面曲率中心的連線構成系統(tǒng)的光軸。球面腔和非球面腔兩鏡腔和多鏡腔簡單腔和復合腔

由兩個共軸球面鏡構成4、光學諧振腔的分類共軸球面光學諧振腔共軸球面鏡曲率半徑為1）共軸球面鏡腔的穩(wěn)定性條件傍軸光線能在腔內(nèi)往返無限多次而不致于從側面逸出及傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)歷有限次往返后就橫向逸出腔外的判別條件。傍軸光線：在共軸球面系統(tǒng)中，若入射光線和出射光線靠近，且與主軸的夾角很小，則相應的光線稱為傍軸光線幾何偏折損耗1）共軸球面鏡腔的穩(wěn)定性條件傍軸光線能在腔內(nèi)往返無限多次而不2、諧振腔的g參數(shù)凹面鏡R>0;凸面鏡R<0;平面鏡R＝∞1、RL參數(shù)R1R2LR1、R2：兩鏡面曲率半徑，L：腔長諧振腔的幾何參數(shù)2、諧振腔的g參數(shù)凹面鏡R>0;凸面鏡R<或傍軸光線能在腔內(nèi)往返無限多次而不致于從側面逸出腔外

或傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)歷有限次往返后必將逸出腔外

無幾何損耗幾何損耗高共軸球面腔的穩(wěn)定性條件或傍軸光線能在腔內(nèi)往返無限多次而不致于從側面逸出腔外或傍軸2）共軸球面腔的分類幾何損耗的高低穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔臨界腔或或2）共軸球面腔的分類幾何損耗的高低穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔臨界腔或或特點：任意傍軸光線能在腔內(nèi)往返無限多次而不致于橫向逸出腔外，即在腔內(nèi)傳播的傍軸光線的幾何損耗為零。

穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔或特點：傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)歷有限次往返后必將從側面逸出腔外，因而有較高的幾何損耗。臨界腔或特點：任意傍軸光線能在腔內(nèi)往返無限多次而不致于橫向逸出腔外，判斷諧振腔的穩(wěn)定性(單位:mm)例

解穩(wěn)定(1)R1=80,R2=40,L=100非穩(wěn)(2)R1=20,R2=10,L=50

解判斷諧振腔的穩(wěn)定性(單位:mm)例

解穩(wěn)定(1)R1=80,(3)R1=-40,R2=75,L=60

解穩(wěn)定(4)R1=∞,R2=50,L=40穩(wěn)定解(3)R1=-40,R2=75,L=60解穩(wěn)定(4非穩(wěn)(5)R1=-20,R2=-10,L=50

解非穩(wěn)(6)R1=∞,R2=-10,L=50

解非穩(wěn)(5)R1=-20,R2=-10,L=50解非激勵方式：PN結注入電流激勵；光學干涉測量方法的精度和量限近單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)損耗：反射鏡和腔內(nèi)元件的散射和吸收損耗，衍射損耗、工作物質內(nèi)部不均勻或吸收引起的損耗及激光器輸出損耗等由于基態(tài)壽命很短，即使是超短脈沖情況下，基態(tài)也可認為是空的，因此準分子體系對產(chǎn)生巨脈沖特別有利。受激吸收躍遷率W12特點：傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)歷有限次往返后必將從側面逸出腔外，因而有較高的幾何損耗。Planck輻射能量量子化假說He-Ne激光器的基本結構形式情況1：已知w0,w’0,確定透鏡焦距F及透鏡的距離l,l’處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的物質(6)R1=∞,R2=-10,L=50功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比像方高斯光束腰斑的大小調節(jié)精密電阻，繪制集成電路圖，三能級模型與四能級模型相比，在實現(xiàn)集居數(shù)分布反轉上，要比四能級困難。機械強度高，容易生長大尺寸晶體光強強到一定程度時，有可能暫時N2＞N1，即達到集居數(shù)反相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。g與R的符號關系R<00<R<LR>L0<g<1g<0g>1g=1gR1L0激勵方式：PN結注入電流激勵；g與R的符號關系R<00<R<激光器中常用光學諧振腔的結構形式L（1）平行平面鏡腔：

R＝R＝∞腔的模體積大，衍射損耗比較大，常用在固體激光器中。12（2）共焦腔：

R＝R＝L，腔的模體積最小，幾何損耗小。

12（3）平凹腔：當L＝R/2時為半共焦腔，一般也常用于中小功率激光器。激光器中常用光學諧振腔的結構形式L（1）平行平面鏡腔：12（（4）雙凹腔：腔的模體積大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。（5）實共心腔：對稱共心腔：虛共焦腔：（4）雙凹腔：腔的模體積大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。

穩(wěn)定腔因腔損耗小，適用于中、小功率激光器；非穩(wěn)腔可用于大功率激光器中，其優(yōu)點是模體積大，還可限制模式g1g201-11-1g1g2=1g1g2=1穩(wěn)區(qū)圖穩(wěn)定腔因腔損耗小，適用于中、小功率激光器；g1g201-1穩(wěn)區(qū)圖對稱共焦腔穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)g1g2平行平面腔對稱共心腔穩(wěn)區(qū)圖對稱共焦腔穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)g1g2平行平面腔對稱共心腔腔的穩(wěn)定性是指腔的工作狀態(tài)的穩(wěn)定性嗎？所謂腔的穩(wěn)定性，只是指傍軸光線能否在腔內(nèi)往返無限次而不致于橫向逸出，也就是腔內(nèi)傍軸光束損耗的高低的問題。穩(wěn)定腔是指腔的幾何損耗低，因而對增益不太高的工作物質來說，用這種幾何損耗低就比較容易起振。但對損耗高的非穩(wěn)腔來說，如果工作物質的增益比較高，同樣可以起振，并且達到穩(wěn)定工作。思考題腔的穩(wěn)定性是指腔的工作狀態(tài)的穩(wěn)定性嗎？所謂腔的穩(wěn)定性，只是指二）諧振腔模式1、諧振腔縱模由于激光器輸出的每一個諧振頻率的光，因其光強是沿縱向（腔軸方向）分布的駐波場。一般激光器是多縱模輸出，如果采取措施，可以輸出單縱模，大大提高激光色性。二）諧振腔模式1、諧振腔縱模由于激光器輸出的每一個諧振頻率的F-P干涉儀由兩塊具有一定反射率且相距為L的平行板構成基本特征：對入射光束的頻率具有選擇性透過率F-P干涉儀由兩塊具有一定反射率且相距為L的平行板構成基本特當透過率T最大相位改變量諧振條件當透過率T最大相位改變量諧振條件諧振干涉儀長度L為光波半波長的整數(shù)倍---F-P諧振頻率諧振干涉儀長度L為光波半波長的整數(shù)倍---F-P諧干涉儀縱模不同的q值對應不同的縱模，相鄰縱模的頻率間隔為縱模頻率定義把F-P干涉儀中入射光的頻率滿足的平面駐波場。干涉儀縱模不同的q值對應不同的縱模，相鄰縱模的頻率間隔為縱模沿光軸方向（縱向）場分布E(z)

－縱模場分布垂直于光軸方向(橫向)場分布E(x,y)－橫模激光在垂直于腔軸的橫截面上形成的穩(wěn)定的光強分布，稱激光的橫模。2、諧振腔橫模沿光軸方向（縱向）場分布E(z)－縱模場分布垂直于光軸TEMmnq-----諧振腔中場的特征TEM----腔中的場是橫電磁波q----軸向駐波節(jié)點數(shù)目mn----橫向駐波波節(jié)的數(shù)目模式表示方法及模式特征參數(shù)TEMmnq-----諧振腔中場的特征模式表示方法及模式特征不同的m、n值表示不同的橫模即有不同的模式花斑（2）旋轉對稱

TEMmn

m－暗直徑數(shù)；n－暗環(huán)數(shù)(半徑方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x,y

軸對稱

TEMmnm－X向暗區(qū)數(shù)n－Y向暗區(qū)數(shù)TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31不同的m、n值表示不同的橫模（2）旋轉對稱TEMmn

基(橫)模TEM00

光斑軸對稱或旋轉對稱分布取決于增益介質的幾何形狀增益介質的不均勻或腔內(nèi)插入其它光學元件（布氏窗、反射鏡等）會破壞腔的旋轉對稱性，出現(xiàn)軸對稱橫模。基(橫)模TEM003、圓形鏡面共焦腔模式（1）圓形鏡面共焦腔模式在鏡面上的場圖分布鏡面上的極坐標

歸一化函數(shù)

高斯函數(shù)

締合拉蓋爾多項式

3、圓形鏡面共焦腔模式（1）圓形鏡面共焦腔模式在鏡面上的場圖L為腔長TEM01q

TEM00TEM10qL為腔長TEM01qTEM00TEM10q確定共焦腔中橫截面上場的振幅分布

描述共焦腔中場的相位分布高斯函數(shù)因子

（2）圓形鏡面共焦腔模式的空間分布確定共焦腔中橫截面上場的振幅分布描述共焦腔中場的相位分布高（1）光斑尺寸（2）等相位面通常定義半徑r＝W(z)的圓為基模光斑的大小當z=f=L/2時，

W0s為共焦腔基橫模在鏡面上的光斑尺寸或光斑半徑（1）光斑尺寸（2）等相位面通常定義半徑r＝W(z)的圓為基基模腰斑半徑

等相位面曲率半徑

共焦鏡的焦距

2.5激光器的輸出特性基模腰斑半徑等相位面曲率半徑共焦鏡的焦距2.5激光器激光產(chǎn)生的原理實用版課件1）激光器的閾值條件損耗：反射鏡和腔內(nèi)元件的散射和吸收損耗，衍射損耗、工作物質內(nèi)部不均勻或吸收引起的損耗及激光器輸出損耗等總的損耗系數(shù)為α

產(chǎn)生振蕩產(chǎn)生激光閾值增益系數(shù)

振蕩器的閾值條件

1）激光器的閾值條件損耗：反射鏡和腔內(nèi)元件的散射和吸收損耗，同一橫模不同縱模具有相同的α，因而具有相同的閾值；不同橫模具有不同的衍射損耗，因而具有不同的閾值，高階橫模的閾值比基模大；同一橫模不同縱模具有相同的α，不同橫模具有不同的衍射損耗，閾值反轉集居數(shù)密度：把dN/dt=0時所需的反轉粒子數(shù)度三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)閾值反轉集居數(shù)密度：三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)閾值泵浦能Eth把激光器維持在閾值條件下所需的最小泵浦功率閾值泵浦功率Pth把激光器維持在閾值條件下所需的最小泵浦能量閾值泵浦能Eth把激光器維持在閾值條件下所需的最小泵浦功率短脈沖激光器三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)

是實際激發(fā)到能級E3的粒子數(shù)與他們能躍遷到能級E2上的粒子數(shù)比，其比值小于1h--普朗克常數(shù)V—增益介質的體積n--總粒子數(shù)密度泵浦光頻率短脈沖激光器三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)是實際激發(fā)到能級E連續(xù)激光器三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)E3E2E1工作物質的總量子效率連續(xù)激光器三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)E3E2E1工作物質的總量子效三能級系統(tǒng)所需的閾值能量比四能級系統(tǒng)大得多

？四能級系統(tǒng)的激光下能級在基態(tài)之上，n2=0，只須將個粒子激發(fā)到能級E3上就能使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光；而在三能級系統(tǒng)中，激光的下能級是基態(tài)，因此至少須將個粒子激發(fā)到能級E2上才能使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光，而,所以三能級系統(tǒng)的閾值能量或閾值功率要比四能級系統(tǒng)大得多。三能級系統(tǒng)所需的閾值能量比四能級系統(tǒng)大得多？四能級系統(tǒng)的激連續(xù)激光器脈沖激光器2）輸出功率（能量）--斜率效率連續(xù)激光器脈沖激光器2）輸出功率（能量）--斜率效率總體效率

定義為激光輸出與光泵輸入之比光泵輸入遠遠大于閾值時，即產(chǎn)生激光

總體效率定義為激光輸出與光泵輸入之比光泵輸入遠遠大于閾值3）模式---模體積不同橫模在腔內(nèi)擴展的空間范圍不同，把某一個模式在腔內(nèi)所擴展的空間范圍模體積大，對該模式振蕩有貢獻的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)多w0s

模體積～有貢獻的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)～輸出功率3）模式---模體積不同橫模在腔內(nèi)擴展的空間范圍不同，把某一例：（二氧化碳激光器）=10.6m,L=1m,2a=20mm=5.3cm3V=314cm3

/V=5.3/314=1.7%難以獲得高功率

高階模體積－模階次，模體積模的階次高，擴展空間范圍寬，模式體積大，高階模體積Vmn>V00例：（二氧化碳激光器）高階模體積－模階次，模體積4）激光束的發(fā)射角

基模光束有優(yōu)良的方向性，高階模的發(fā)散角隨模階次m,n而增大,光束方向性變差4）激光束的發(fā)射角基模光束有優(yōu)良的方向性，高階模的發(fā)散角隨激光產(chǎn)生的原理實用版課件例題L=30cm的共焦腔He-Ne激光器，波長=0.6328um求例題L=30cm的共焦腔He-Ne激光器，波長=0.63282.6激光的特性激光的四性單色性相干性方向性高亮度2.6激光的特性激光的四性單色性相干性方向性高亮度一）激光的空間相干性和方向性

激光為什么具有高度的空間相干性和方向性？單基模結構和方向性考慮

從方向性來講，單橫模結構具有最好的方向性；如果是多橫模結構，由于不同模式的光波場是不相干的，所以激光的空間性程度減小，而另一方面，多橫模結構由于高階模發(fā)射角增大而使方向性變差。對于單基模結構，因為是同一模式的光波場與同一光子等效，所以同一模式的光波場是相干；一）激光的空間相干性和方向性激光為什么具有高度的空間相干性激光器工作在TEM00單橫模空間相干性

合理選擇光學諧振腔的類型方向性增加腔長激光器工作在TEM00單橫模空間相方向性好

激光束的發(fā)散角很小，一般為

激光定位、導向、測距等就利用了方向性好的特點。方向性好激光束的發(fā)散激光定位、導向、二）激光的時間相干性和單色性

相干長度

激光的單色性量度常用比值來表征物理意義是在小于或等于相干長度范圍內(nèi)的任意兩點間的光場都是完全相干的激光高單色性，能極大提高各種光學干涉測量方法的精度和量限

二）激光的時間相干性和單色性相干長度激光的單色性量度常用激光的單色性

在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準器的氪燈（K186）；它的譜線寬度為4.7×10-3納米，而激光譜線寬為10-9納米，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術還可以進一步提高激光的單色性。

計量工作的標準光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。光纜激光的單色性在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準相干性好激光具有很好的相干性。普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里。全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。全息照相相干性好激光具有很好的相干性。普通光源的相干長度約為1毫米至三）激光的高強度

激光高方向性、高單色性等特點

單色定向亮度值光子簡并度--處于同一光子態(tài)的光子數(shù)光波模式和光子狀態(tài)是等效的，也就是說一種光波模式對應一個光子狀態(tài)，因此同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的；三）激光的高強度激光高方向性、高單色性等特點光子簡并度--高的簡并度是激光的本質，是區(qū)別普通光源的重要特點。黑體輻射平均分配到每個模式的能量黑體輻射源的光子簡并度激光的簡并度高的簡并度是激光的本質，是區(qū)別普通光源的重要特點。黑體輻射平亮度高亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細（發(fā)散特別小），功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調Q等技術，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度。亮度高亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術、激光武器等就利用了高亮度的特點。激光打孔激光切割激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高低能激光武器高能激光武器低能激光武器高能激光武器2.7高斯光束及其光學變換高斯光束光學諧振腔激光器所發(fā)出的光波場規(guī)律呈高斯曲線分布，在波陣面上振幅分布是不均勻的基模高斯光束高階高斯光束2.7高斯光束及其光學變換高斯光束光學諧振腔激光器所發(fā)出的一）基模高斯光束與傳播軸線相交于z點的等相位面的光斑半徑與傳播軸線相交于z點的等相位面的曲率半徑基模高斯光束的腰斑半徑高斯光束的共焦參數(shù)一）基模高斯光束與傳播軸線相交于z點的與傳播軸線相交于z點的1、曲率不斷變化的非均勻球面波；2、橫截面內(nèi)振幅/強度分布為高斯分布；3、等相位面始終保持為球面。基模高斯光束特點BasicparametersdescribingaGaussianbeam1、曲率不斷變化的非均勻球面波；基模高斯光束特點Basicw0，zW(z)，R(z)，θ高斯光束結構確定表征特定的高斯光束基模高斯光束的特征參數(shù)1.用w0(或f)及位置表征；

已知w0

(或

f)

w(z),R(z),,等參數(shù)w0，zW(z)，R(z)，θ高斯光束結構確定表征特定的高斯光斑半徑w(z)曲率半徑R(z)束腰大小w0位置z高斯光束結構確定表征特定的高斯光束2.用w(z)及R(z)表征;已知w(z),R(z)

w0,z光斑半徑w(z)束腰大小w0高斯光束結構確定表征特定的高斯光設q(z)—高斯光束的復數(shù)曲率半徑3.高斯光束的q參數(shù)設q(z)—高斯光束的復數(shù)曲率半徑3.高斯光束的q參數(shù)q參數(shù)物理意義：同時反映光斑尺寸及波面曲率半徑隨z的變化q(z)R(z),w(z)W0,z高斯光束結構確定表征特定的高斯光束q參數(shù)物理意義：同時反映光斑尺寸及波面曲率半徑隨z的變化q

q參數(shù)表征高斯光束的優(yōu)點:

將描述高斯光束的兩個參數(shù)w(z)和R(z)統(tǒng)一在一個參數(shù)中,便于研究高斯光束通過光學系統(tǒng)的傳輸規(guī)律

高斯光束三種描述方法的比較q0參數(shù)將w0和f聯(lián)系一起q參數(shù)表征高斯光束的優(yōu)點:q0參數(shù)將w0和f聯(lián)系一起二）高斯光束的傳輸規(guī)律1）高斯光束在自由空間的傳輸規(guī)律由此可得二）高斯光束的傳輸規(guī)律1）高斯光束在自由空間的傳輸規(guī)律由此可2）高斯光束通過薄透鏡的變換薄膜透鏡成像規(guī)律高斯光束經(jīng)焦距F的薄透鏡變換2）高斯光束通過薄透鏡的變換薄膜透鏡成像規(guī)律高斯光束經(jīng)焦距F即薄透鏡對高斯光束復數(shù)曲率半徑與球面波曲率半徑有相同的變換規(guī)律即薄透鏡對高斯光束復數(shù)已知F、l、w0求通過透鏡后已知F、l、w0求通過透鏡后激光產(chǎn)生的原理實用版課件一）高斯光束聚焦像方高斯光束腰斑的大小a）F一定時，隨變化情況曲線圖一）高斯光束聚焦像方高斯光束腰斑的大小a）F一定時，設束腰放大率M（像方束腰大小與物方束腰大小之比）即設束腰放大率M（像方束腰大小與物方束腰大小之比）即當l=0時，不論透鏡焦距多大，只要焦距大于0它總會有聚焦作用，且像距始終小于F，即像方腰斑位置在透鏡后焦點以內(nèi)。當l=0時，不論透鏡焦距多大，只要焦距大于0它總會有聚焦作用當時透鏡焦距F越小聚焦效果越好當時透鏡焦距F越小聚焦效果越好當時透鏡焦距F越小當時透鏡焦距F越小聚焦效果越好激光產(chǎn)生的原理實用版課件激光產(chǎn)生的原理實用版課件高斯光束的聚焦方法高斯光束的聚焦方法二）高斯光束的準直改善方向性，壓縮發(fā)散角高斯光束的發(fā)散角經(jīng)薄透鏡變換a)單透鏡對高斯光束發(fā)射角準直二）高斯光束的準直改善方向性，壓縮發(fā)散角高斯光束的發(fā)散角經(jīng)薄因所以因所以如何借助透鏡改善高斯光束的方向性

？如何借助透鏡改善高斯光束的方向性？激光產(chǎn)生的原理實用版課件b）用倒裝望遠鏡對高斯光束準直b）用倒裝望遠鏡對高斯光束準直激光產(chǎn)生的原理實用版課件由上式可知，一個給定望遠鏡對高斯光束的準直倍率不僅與望遠鏡的本身結構有關，還與高斯光束的腰斑及腰斑與副鏡的距離有關由上式可知，一個給定望遠鏡對高斯光束的三）高斯光束匹配模匹配問題的提出：使一個激光諧振腔振蕩的單模高斯光束注入到另一個諧振腔內(nèi)能激發(fā)出相同的模式。（注入到光學系統(tǒng)的是基橫模，激發(fā)的也是該光學系統(tǒng)的一個相應單模，使注入模的能量轉變?yōu)榧ぐl(fā)模的能量）問題實質－－透鏡變換三）高斯光束匹配模匹配問題的提出：情況1：已知w0,w’0,確定透鏡焦距F及透鏡的距離l,l’同乘若F確定便可確定l,l’(F>f0)情況1：已知w0,w’0,確定透鏡焦距F及透鏡的情況2:兩腔相對位置固定(即兩個光腰之間的距離)及w0,w’0確定,為了實現(xiàn)模匹配,F

如何選擇情況2:兩腔相對位置固定(即兩個光腰之間的距離)及激光產(chǎn)生的原理實用版課件激光產(chǎn)生的原理實用版課件激光產(chǎn)生的原理實用版課件激光產(chǎn)生的原理實用版課件思考題1）激光器的閾值條件？閾值泵浦功率和閾值泵浦能量2）三能級系統(tǒng)所需的閾值能量要比四能級系統(tǒng)所需的大得多？3）光學諧振腔的作用？（三種）4）光學諧振腔有穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔之分，非穩(wěn)腔是不是指工作狀態(tài)不穩(wěn)定的腔？為什么？5）激光的四大特性思考題1）激光器的閾值條件？閾值泵浦功率和閾值泵浦能量2）三固體激光器固體激光器1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器方向性好、單色性好、相干性好、高亮度1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器方固體激光器的基本結構與工作物質長脈沖固體激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。

固體激光器的基本結構示意圖激光工作物質泵浦源聚光腔諧振腔冷卻與濾光輸出能量大峰值功率高結構緊湊，牢固耐用固體激光器的基本結構與工作物質長脈沖固體激光器的基本結構示意圖紅寶石中鉻離子的能級結構0.6943um0.6929um優(yōu)點:容易單模輸出缺點:閾值高且溫度效應嚴重紅寶石激光器的優(yōu)點和主要缺點。

機械強度高，容易生長大尺寸晶體圖紅寶石中鉻離子的能級結構0.6943um0.6929u紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)。如圖所示。它屬于三能級系統(tǒng)---簡化能級模型圖紅寶石中鉻離子的吸收光譜0.55um0.4um紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)

工作物質:將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化結晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子(Nd3＋).圖Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)工作物質:將一定比例的A圖Nd3＋:YAG的能級結構YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關的能級結構如圖所示。它屬于四能級系統(tǒng)。

優(yōu)點:閾值低，具有良好的熱學性質圖Nd3＋:YAG的能級結構YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。

2.常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質上，必須采用聚光腔。

泵浦光源應當滿足兩個基本條件發(fā)光效率高輻射光的光譜特性應與激光工作物質的吸收光譜相匹配固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質是絕緣晶體，一般都采用光圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓。圖橢圓柱聚光腔固體激光器的泵浦系統(tǒng)需要冷卻。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等，其中以液冷最為普遍。

泵浦燈和工作物質之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。

焦線位置焦線位置圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，圖固體激光器的輸出特性1.固體激光器的激光脈沖特性

2.轉換效率

總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對于連續(xù)激光器(用功率描述)和脈沖激光器(用能量描述)分別表示為：一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖(或稱尖峰)組成的，各個短脈沖的持續(xù)時間約為(0.1

1)s，各短脈沖之間的間隔約為(510)s。泵浦光愈強，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡峰值并不增加。

可用調Q技術得到激光巨脈沖固體激光器的輸出特性1.固體激光器的激光脈沖特性2.轉新型固體激光器1.半導體激光器泵浦的固體激光器

半導體激光器泵浦固體激光器的結構示意圖半導體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比有其主要優(yōu)點

半導體激光器泵浦固體激光器的結構，有如圖a所示的端泵浦方式和圖b所示的側泵浦方式。能量轉換效率高工作時無功熱量小、介質溫度穩(wěn)定、激光譜線更窄壽命長,結構簡單新型固體激光器1.半導體激光器泵浦的固體激光器半導體激光2.可調諧固體激光器——輸出波長可變化

可調諧固體激光器主要有兩類：色心激光器用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調諧激光器。

3.高功率固體激光器

高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續(xù)、準連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應用和激光加工應用所追求的目標。

關鍵技術：克服固體工作物質中的熱效應2.可調諧固體激光器——輸出波長可變化可調諧固體激光器主氣體激光器氣體激光器氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的結構和激發(fā)機理

He-Ne激光器的基本結構形式

He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種。氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的結構和激發(fā)與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條

:3S2P0.6328m2S2P1.15m3S3P3.39m

Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。

與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖He-Ne激光器是典型的2.He-Ne激光器的輸出特性

(1)譜線競爭:He-Ne激光器三條強的激光譜線(0.6328m，

1.15m，3.39m)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質膜反射鏡的波長選擇。(2)輸出功率特性:He-Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。圖是實驗測得的輸出功率與放電電流的關系曲線輸出功率與放電電流的關系曲線2.He-Ne激光器的輸出特性(1)譜線競爭:He-NeHe-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件。

在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流

若放電毛細管的直徑為d，充氣壓強為p，則存在一個使輸出功率最大的最佳

pd值。在最佳放電條件下，工作物質的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。

He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳1.CO2激光器的結構和激發(fā)過程

封離式CO2激光器結構示意圖圖是一種典型的結構示意圖。構成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

CO2激光器1.CO2激光器的結構和激發(fā)過程封離式CO2激光器結構示CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關的CO2分子能級圖如圖所示。

與產(chǎn)生激光有關的CO2分子能級圖躍遷幾率大CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關的CO2分子能級圖如圖所示。與2.CO2激光器的輸出特性

相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關。

(1)放電特性

CO2激光器的轉換效率是很高的，但最高也不會超過40％，這就是說，將有60％以上的能量轉換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。

(2)溫度效應

2.CO2激光器的輸出特性相應于CO2激光器的輸出功率，Ar+離子激光器1.Ar＋激光器的結構

Ar＋激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。如圖所示為石墨放電管的分段結構。

分段石墨結構Ar+激光器示意圖Ar+離子激光器1.Ar＋激光器的結構Ar＋激光器一般2.Ar＋激光器的激發(fā)機理

Ar＋激光器與激光輻射有關的能級結構如圖所示

與產(chǎn)生激光有關的Ar+的能級結構2.Ar＋激光器的激發(fā)機理Ar＋激光器與激光輻射有3.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對應每條譜線都有一個閾值電流。最強譜線:0.4880um,0.5145um(1)多譜線工作(2)輸出功率與放電電流的關系由于Ar＋激光器特殊的激發(fā)機制，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同，圖示出了其間的關系曲線。

Ar+激光器輸出功率隨放電電流變化曲線3.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以產(chǎn)染料激光器染料激光器染料激光器的激發(fā)機理1.染料分子能級

染料分子能級圖是如圖所示的準連續(xù)態(tài)能級結構。

染料分子能級圖染料激光器的激發(fā)機理1.染料分子能級染料分子能級圖是如圖2.染料分子的光輻射過程

如圖所示染料的吸收-熒光光譜圖染料的吸收-熒光光譜圖3.染料分子的三重態(tài)“陷阱”

2.染料分子的光輻射過程如圖所示染料的吸收-熒光光譜圖染料染料激光器的泵浦1.閃光燈脈沖泵浦

泵浦用閃光燈有兩種結構，普通直管式和同軸式。

2.激光脈沖泵浦

能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，紅寶石激光器(0.6943m)，YAG激光器(1.06m)，銅蒸氣激光器(0.5106m、0.5782m)，準分子激光器(主要在紫外區(qū))以及這些激光的二次、三次諧波等。

染料激光器的泵浦1.閃光燈脈沖泵浦泵浦用閃光燈有兩種Nd:YAGBrilliantBDyeLaserTDL-90LaserSourceTunableDyeLaserPumpedByNd:YAGLaserNd:YAGDyeLaserLaserSourceAlignmentofthedyelaserOpticsAlignmentofthedyelaserOpt染料激光器的調諧1.光柵調諧

圖是一種光柵-反射鏡調諧腔，放在腔中的光柵G具有擴束和色散作用。

光柵-反射鏡調諧腔染料激光器的調諧1.光柵調諧圖是一種光柵-反射鏡調諧腔，2.棱鏡調諧

圖是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。棱鏡調諧腔2.棱鏡調諧圖是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)半導體激光器半導體激光器

半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互作用的晶體中，每一個能級會分裂成為N個能級，因此這彼此十分接近的N個能級好象形成一個連續(xù)的帶，稱之為能帶，見圖

固體的能帶半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互2.純凈(本征)半導體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導帶組成，如圖本征半導體的能帶結構3.熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為2.純凈(本征)半導體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零4.雜質半導體中費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系。為了說明問題，圖給出了溫度極低時的情況。5.在半導體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導體中存在雙簡并能帶，并且入射光的頻率滿足費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度關系4.雜質半導體中費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系PN結和粒子數(shù)反轉1.P-N結的雙簡并能帶結構

把P型和N型半導體制作在一起，是否可能在結區(qū)產(chǎn)生兩個費米能級呢？

未加電場時，P區(qū)和N區(qū)的費米能級必然達到同一水平，如圖所示。

PN能帶PN結和粒子數(shù)反轉1.P-N結的雙簡并能帶結構把P型和

在P-N結上加以正向電壓V時，形成結區(qū)的兩個費米能級和，稱為準費米能級，如圖所示。

正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構在P-N結上加以正向電壓V時，形成結區(qū)的兩個費米能級2.粒子數(shù)反轉

產(chǎn)生受激輻射的條件是在結區(qū)的導帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉分布。

激光器在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導帶底電子的占據(jù)幾率為價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準費米能級來計算

價帶頂電子占據(jù)幾率則為在結區(qū)導帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉的條件是2.粒子數(shù)反轉產(chǎn)生受激輻射的條件是在結區(qū)的導帶底部和價1.半導體激光器的基本結構和工作原理

圖GaAs激光器的結構半導體激光器的工作原理和閾值條件

圖示出了GaAs激光器的結構。

1.半導體激光器的基本結構和工作原理圖GaAs激光器的2.半導體激光器工作的閾值條件

激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉還需要滿足閾值條件

增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉的關系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質

2.半導體激光器工作的閾值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件除3.半導體激光器的閾值電流

在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復合數(shù)相等而達到平衡3.半導體激光器的閾值電流在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器

同質結和異質結半導體激光器

1.同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性圖GaAs激光器的伏安特性伏安特性:與二極管相同