PDF《第二节》

第二节 激光激光又名莱塞 (Laser) 全名是 (Light amplification by stimulated emission of radiation) "辐射的受激发射光放大" 世界上第一台激光器诞生于1960年1954年制成了受激发射的微波放大器 ――梅塞(Maser) 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论 自发辐射21

2 21 ) d d ( A N t N = 自发 受激吸收BB′=自发辐射系数受激吸收系数E2 E1 IB kN t N

2 21 ) d d ( = 受激 B I kN t N ′ =

1 12 ) d d ( 吸收 自发 辐射 受激 辐射 光波的频率 相位偏振态 无关 全同 一.

光的吸收与辐 受激辐射E2 E1 E2 E1 受激辐射系数一般情况 二.粒子数反转和光放大

1 2 N N > 受激吸收 受激辐射 自发辐射 介质中的光强 I - kN1 IB + kN2 IB 忽略

1 1

2 1

2 < = ? ? kT E E e N N

2 1 N N >

0 < I ?

0 > I ? 粒子数 反转态 介质 热平衡 状态 IB ) N N ( ~ I

1 2 ? ? 光强变化 若介质处于粒子数反转态,光在其中传播时得以放大. 说明 电子 碰撞 碰撞 亚稳态 例He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 z GI I d d = G -- 增益系数 增益介质II+dI z dz 经过介质薄层, 光强增量为 Gz e I I

0 = ∫ ∫ = z I I z G I I

0 d d

0 I0 I0 z o I 增益介质:处于粒子数反转态的介质.光传播时被放大. 说明 在增益介质内,光强 I 随传播距离按指数增加. 三. 增益介质中光强随传播距离的变换关系 四. 激光器的基本构成及激光的形成 激励能源 增益介质 谐振腔 全反 射镜 部分 反射镜 (99%) 谐振腔,增益介质, 激励能源. 1. 基本构成部分 2. 激光的形成 光束在谐振腔内 来回震荡,在增 益介质中的传播 使光得以放大, 并输出激光. 五. 谐振腔的作用 增益介质 1. 限定光的方向 沿轴线的光在增益介质内来 回反射,连锁放大,输出形 成激光.其它方向的光很快逸出谐振腔. I0 eGL r1I0 eGL r1I0 e2GL 2. 延长增益介质 r2 r1 ≤ I0 增益介质 阈值条件

1 2

2 1 ≥ GL e r r r1r2I0 e2GL 3. 光学谐振腔的选频 1)纵模 沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的 在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模 谱线是有一 定的宽度的 光振动(驻波)称为一个纵模 ν ) (

0 ν I ) (

0 ν I

2 ) (

0 ν I ν ν0 ?ν 而为什么He―Ne激光器输出激光的 Hz

10 5

10 6328 .

0 10

3 14

6 8 * ≈ * * = = ? λ ν c

6 14

9 10

3 10

5 10

3 .

1 ? ? ? ? * ≈ * * = ν ν 会小到10 -

15 呢? ν ν ? ?ν ≈1.3*

10 9 Hz 例如Ne原子的0.6328 ?m谱线的频率宽度为 原因: 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉 k k nL λ =

2 ( k=

1、

2、

3、….) λk―真空中的波长 L k=1 k=2 k=3 k nL k

2 = λ n ―谐振腔内工作物质的折射率 由驻波条件知 往返光程 可以存在的纵模频率为 nL c k c k k

2 = = λ ν 相邻两个纵模频率的间隔为 nL c k

2 = ?ν 数量级估计: L~

1 m n ~ 1.0 c = 3*108 m/s Z

8 8

10 5 .

1 1

1 2

10 3

2 Η * = * * * = = ? nL c k ν

2 0 I I I

0 而氦氖激光器 0.6328 ?m 谱线的宽度为 ?ν =1.3*109 HZ 在?ν 区间中 可以存在的纵模个数为

8 10

5 .

1 10

3 .

1 8

9 ? * * = ? ? = k N ν ν 通过缩短腔长和 控制反射镜膜厚 等手段可使输出 纵模个数减少 I

2 0 I I I0 例如利用缩短腔长来加大?νk 可以使 ?ν区间中只存在一个纵模频率 则?νk要增大到10倍在?ν 区间中可能存在的纵模个数N仅为1 如上述He―Ne激光器 L 从1m缩短到 0.1m 从而获得了线宽极窄的0.6328 ?m激光 极大地提高了单色性(但损失了光强) 也可以在腔内插入FP标准具选频 2)横模 产生横模的主要原因:谐振腔两端反射镜的衍 射作用和初始自发辐射的多样性 激光光强沿谐振腔横向的每一种稳定的模式 基模 高阶横模 轴对称分布旋转对称分布中心对称旋转对称某些 激光 横模 的光 强分 布 基横模输出的特点: 没有特殊要求通常都选择基横模输出 ?亮度高 ?发散角小 ?光束横截面上径向光强分布较均匀 基横模光束质量高 高阶横模输出功率大 ?横截面上各点的相位相同 空间相干性最好 小结: 激光器的三个主要组成部分 1.激活介质: 2.激励能源: 单色性 有合适的能级结构 能实现粒子数反转 3.光学谐振腔: 保证光放大 使激光有良好的方向性和 使原子激发 维持粒子数反转