第一章-激光基础原理

激光原理与技术·原理部分任课教师：夏珉EMail：[e-mail]电话：[phone]第一章激光概述–先修科目•几何光学•物理光学•量子力学–参考书目•激光原理国防工业出版社2000年版周炳琨等编•量子电子学科学技术出版社1983年版AmnonYariv，刘颂豪等翻译•Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986•PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,1998第一章激光概述•1.1激光的发展与现状•1.2激光产生的机理•1.3激光的特性•1.4激光器实例1.1激光的发展与现状–提到激光时脑海中的第一印象？1.1激光的发展与现状•什么是激光？•LASER：–LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation•激光：–受激辐射光放大•死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》•镭射：LASER的音译1.1.1激光发展的历史•史前时代–17世纪—对光的本性的探求：•波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；•微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；–19世纪：•光的波动本性有了进一步发展•电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1.1激光发展的历史•19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；•然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。1.1.1激光发展的历史•黎明前的黑暗–1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；–1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquantaforhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect1.1.1激光发展的历史–1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；–1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；–1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在；forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem1.1.1激光发展的历史–1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；–1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrumforthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms1.1.1激光发展的历史–1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。–1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple1.1.1激光发展的历史•突破–1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。–1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。1.1.1激光发展的历史–1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；–1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；–1962年，GaAs半导体激光器；–1963年，液体激光器；–1964年，CO2激光器；–1964年，离子激光器；–1964年，Nd：YAG固体激光器；–1965年，HCl化学激光器；–1966年，生物染料激光器；–从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？1.1.1激光发展的现状•发展–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。1.1.1激光发展的现状•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。1.1.1激光发展的现状–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；1.1.1激光发展的现状–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。1.1.1激光发展的现状–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；1.1.2理论体系•经典理论（ClassicalLaserTheory）–电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子•半经典理论（SemiclassicalLaserTheory）–电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述•量子理论（QuantumLaserTheory）–电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理•速率方程理论（RateEquationTheory）–量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性1.1.2理论体系•激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性；•不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论；•本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。1.1.3激光的应用•从科幻到现实–第一个描述激光的作品？•威尔斯在1898年的小说《世界大战》（火星人入侵）：“由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热……”•CO2激光器，由CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统；•火星大气充满CO2，并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天然的激光；1.1.3激光的应用•激光的实际应用–工业应用：•切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；•焊接：焊接点均匀、美观、精度高；•表面处理；•芯片刻蚀等。1.1.3激光的应用–医疗：•最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；•肿瘤治疗；•眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；•美容；•外科手术等。–科研：•全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目；•可控核聚变；•光镊、冷冻原子1.1.3激光的应用•确定地月距离–登月是20世纪最大的骗局？–阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。–激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。1.1.3激光的应用•军事–激光测距–直接摧毁–激光制导1.1.3激光的应用•其他–条码扫描–照明、成像–通讯–娱乐1.2激光产生的机理•1.2.1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。1.2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1.2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1.2激光产生的机理•1.2.2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1.2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1.2激光产生的机理–如何确定自发辐射系数？–生活中的自发辐射？红宝石晶体自发辐射平均寿命测量装置测量得到的原子自发辐射能量衰减曲线1.2激光产生的机理–受激吸收（StimulatedAbsorption）•如果黑体原子和外加