激光基础原理

激光原理与技术理论基础爱因斯坦（1917）在物质与辐射场的相互作用下，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激吸收或受激辐射。E1E0hvhvhv激光（Laser）LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation绪论量子电子学（1954）开放式光谐振腔与光泵浦（1958）红宝石固态激光器（1960）不同类型的激光器和激光控制技术（至今）因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位.激光的产生与发展（LASER)绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：方向性好单色性好亮度高相干性好(空间相干性、时间相干性）绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：•在信息技术领域的应用1、全息照相2、全息激光防伪标签3、多路合成角度全息展示艺术品4、激光全息存储绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：•在光通讯技术领域的应用1、光纤通讯（激光作为载波）2、自由空间光通信（FSO）“大气窗”——850nm和1550nm绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：•在医学领域的应用1、激光眼科手术2、激光牙科手术绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：•在工业领域的应用激光切割、焊接及打标等绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：•在照明和装饰、娱乐领域(激光地标、激光水幕等）绪论激光在各领域中的广泛应用及发展前景：•在科学研究领域激光“束缚”原子——冷却和陷俘原子（1997，诺贝尔物理奖，朱棣文）惯性约束聚变——人造小太阳绪论•发展方向–更大•为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。•现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W），该系统有望在今年投入使用。绪论•NIS已经于2009年点火成功，2010年报道的单脉冲能量达到1MJ，峰值功率1015W以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的500倍以上。•目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。绪论–更小•各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；–更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。绪论–更快•更高的调制频率：GHz；•更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；–更多样化•多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；•多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；绪论•光子基本特性–能量：–动量：–质量：光子没有静止质量–偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对应于光波的两个独立偏振方向；–自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数，光子属于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即处于同一量子态的全同粒子数目没有限制。SJhh3410624.6;02;2;nkhkp22chcm光子的相干性•任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢来标识；也可以将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁波等效的电磁波本征模式的线性叠加；•本征模式的能量、动量具有量子化特性，即能量为基本能量的整数倍，动量为基本动量的整数倍。•具有基本能量和基本动量的物质单元称为属于第个本征模式的光子。lklhlnhlklknlhlkl光子的相干性光波模式与光子相格–在有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立存在的、具有特定波矢的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光波模式。–考虑如图所示的金属空腔，任何能够存在的驻波应该满足以下条件：–其中m、n、l为正整数，由波矢的表达式可以得到波矢的三个分量：–每组不同的m、n、l标识了不同的模式，如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的模式，其结果如右图，每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求出在该空间中一个模式占据的体积为：2,2,2lznymxnk2lzknykmxkzyx,,yzxxyzxkzkykx/x/2z/2z/y/2y/Vzyxkkkzyx33光子的相干性•波矢在范围内的波矢空间体积为：•则在该空间内所包含的光波模式数为：•由波矢的定义有：•可以得到在体积为V的腔内，频率附近间隔内的模式数P为：•因此单位体积内，频率附近，单位频率间隔的模式数为：kdkk,kdk2481VkdkP32/4812dckdck2;22d238PVdc328cn光子的相干性•光子状态与相格–在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其加以区别；–宏观上质点的运动状态可以用位置（x,y,z）和动量（Px,Py,Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一个点；–微观上的粒子运动满足测不准原理：–在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：hPzhPyhPxzyx~,~,~3hPPPzyxzyx光子的相干性•在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：•由于腔内稳定存在的光波模都是由两列相向传播的行波构成的，因此每个模式的动量可以写成：•将以上结果代入(1)式，可得到：•即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光波模等效于一个光子态。33(1)xyzkkkxyzV2,2,2xxyyzzPkPkPk33338xyzxyzxyzPPPPPPkkkhxyz3hPPPzyxzyx光子的相干性•相干性–光源的相干体积•考虑频率宽度为的沿z方向传播的准单色平面波，由双缝干涉理论可知光源的相干面积：•光波的相干长度为其波列长度：•则光源相干体积为：•其物理意义为：如要求传播方向限于之内并具有频率宽度的光波相干，则光源应局限在空间体积Vc内。22)(x2)(xcLc22321ccVcxS1S2光子的相干性•光子的相干性–光子动量在(x,y,z)方向的分量分别为：–根据前述的光子态在相空间的体积为可得：–上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态，则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。chPPchPPPzyx3hPPPzyxzyxCSzyxVcPPPhzyx2233)(光子的相干性•光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等效提法，是两种等效的物理概念；•相格的空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积；•属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，而不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。光子的相干性•黑体辐射与普朗克公式–黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。–黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这将导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。激光产生的机理–普朗克公式：•黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数，并可以用单色能量密度描述，表示单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，其量纲为。•为了解释实验测得的分布规律，普朗克提出了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T的热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率附近的所有模式上的平均能量为：3/msJ),(T/1hKThEe激光产生的机理•而腔内单位体积中，频率处于附近单位频率间隔内的电磁场模式数：•所以可以得到黑体辐射的普朗克公式：•其中K为波尔兹曼常数：328cVdPn118/33KThechTJK/1038062.123激光产生的机理黑体辐射实质上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结果•受激辐射与自发辐射–自发辐射（Spontaneousemission）•处于高能级E2的原子自发的向较低能级E1跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发辐射。•自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。•假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：•其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。E2E121hEEn2n112hEE21212dnAndt激光产生的机理•按照定义：•从上式可以解出：•自发辐射的平均寿命定义为原子数密度由起始值降至它的1/e的时间，则高能级原子数随时间变化可表示为：•通过比较可以得到：，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性质决定的，不受外部辐射场的影响。212212211spdndnAdtndtn21220()Atntne/220()tntne211/A激光产生的机理–受激吸收（StimulatedAbsorption）•如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高能级跃迁的过程。•处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，受激地向E2能级跃迁并吸收一个能量为的光子，这一过程称为受激吸收，用受激吸收跃迁几率描述：•受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与外加电磁场成正比，因此唯象的将其表示为：•其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。E2E121hEEn2n1h12W121211stdnWdtn1212WB激光产生的机理–受激辐射（StimulatedEmission）•与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外加电磁场之间还存在另一种受激相互作用，一个处于高能级E2的原子在频率为的电磁场作用下，受激地跃迁到E1能级，并放出一个能量为的光子，该过程被称为受激辐射跃迁。•可以用受激辐射跃迁几率W21来描述受激辐射过程中高能级原子数变化的规律：•受激辐射跃迁机率同样与外加电磁场和原子特性相关：E2E121hEEn2n121hEEh212121stdnWdtn2121WB激光产生的机理•跃迁几率之间的相互关系–当黑体处于确定的温度T的热平衡状态时，具有以下三个特点：•腔内存在着由普朗克公式描述的热平衡黑体辐射；•腔内物质原子数按照能级的分布服从热平衡状态下的波尔兹曼分布：g1、g2为能级E1、E2的统计权重；•腔内处于E2（或E1）能级的原子数应保持不变：212211eeKTngeng212112ststspdndndndtdtdt激光产生的机理–由特点3得到：–将普朗克公式和波尔兹曼分布带入上式有：–令，可以求出爱因斯坦系数之间的相互关系：–特别的，当g1=g2时，B12=B21212212121AnBnBn