[物理]激光的基本原理及其特性ppt课件.ppt

激光原理与技术 普通高等教育”十五”国家级规划教材 阎吉祥主编 2004年7月,学习目的,通过学习掌握激光的基本原理及工作特性,谐振腔理论,典型激光器,半导体激光器,激光调Q技术和锁模技术,频率变换等.,课程内容,第1章 激光的基本原理及特性第2章 光学谐振腔理论第3章 典型激光器第4章 半导体激光器第5章 激光调制技术第6章 调Q技术与琐模技术第7章 激光频率技术,参考书目, 俞宽新等编著，激光原理与技术北京工业大学出版社 周炳琨等编著，激光原理 国防工业出版社 陈玉清等编著，激光原理 高等教育出版社 李相银等编著，激光原理技术及应用 哈尔滨工业大学出版社,教学组织方式与学时分配,利用多媒体授课,考核方式,考试平时(出勤+作业+平时表现) 20%实验 30%期末考试 50%,第1章 激光的基本原理及特性,1.1 激光的特性1.2 激光产生的必要条件1.3 激光产生的充分条件1.4 谱线加宽1.5 谱线加宽下的增益系数1.6 激光器的速率方程,1.7 连续与脉冲工作1.8 粒子数反转分布条件1.9 激光放大的阈值条件1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引1.11 激光器的输出特性1.12 激光器的泵浦技术,1.1 激光的特性,单色性方向性相干性高亮度,单色性和时间相干性,光源单色性的量度:频带宽度时间相干性：光源中同一辐射源在不同时间辐射出的光束之间的相干性光波的相干时间:谱线宽度越窄,或单色性越好,相干时间越长,即时间相干性越好.普通光源:谱线宽度1014Hz的量级单模稳频气体激光器： 10Hz以上的量级,方向性与空间相干性,方向性普通光源:4激光:毫弧度空间相干性 发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.相干面积相干长度相干体积,高亮度,定义:光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射的光功率.截面为A的光源单色亮度一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达1018 W/cm2.sr,它比太阳表面的亮度2*103 W/cm2.sr要高15个数量级,1.2 激光产生的必要条件,1.2.1 二能级系统的三种跃迁一、自发辐射二、受激跃迁三、Einstein辐射系数之间的关系,一.自发辐射,表1.1,蓝宝石,二.受激跃迁,(一)受激吸收,(二)受激辐射,三.Einstein辐射系数之间的关系,当三种过程都存在时 , 总变化率为,简并度,1.2.2 激光产生的必要条件光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增量与单个光子能量的乘积,辐射放大产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态增益介质：,1.3 激光产生的充分条件,1.3.1.饱和光强的概念饱和光强饱和长度1.3.2 饱和光强的简单计算当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为稳态时,小信号情况随光强的增长，u减小，使u减小为小信号值的时的光强为饱和光强其中,受激辐射截面,1.3.3 产生激光的充分条件,如果在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到，则对激光来说是充分的求有效长度园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布设光辐射起源于介质一端长度为l的区域,单位时间内由自发发射产生的总辐射能令光强经介质放大后达到饱和光强设,光强等于单位截面的能量,例1.1已知某激光工作物质增益系数为100m-1，长度0.08m求满足产生激光充分条件的da.,例已知d:YAG激光材料增益系数10m-1，设材料长度0.5m，直径da=0.1m,试问小信号单次通过该介质光强能否达到饱和？微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和,1.4 谱线加宽,原子系统能级的弥散1.4.1概述海森堡测不准关系相干辐射的中心频率为,上下边频分别为谱线宽度为谱线加宽特性的描述：线形函数定义线形函数是归一化的,求和表示可以有多种自发辐射,分类1.均匀加宽2.非均匀加宽,1.4.2均匀加宽,1.自然加宽由测不准关系决定谱线加宽线形函数自然宽度,2.碰撞加宽当原子密度足够高时,原子之间的碰撞引起的谱线加宽加宽加宽：的速率干扰辐射原子的相位,均匀加宽,特点：对同类原子中的每个个体都是相同的考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为大多数固体激光跃迁的谱线加宽,气体激光的碰撞加宽比例系数与原子间的碰撞截面，温度等有关,1.4.3.非均匀加宽,特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献分类：多谱勒加宽和非晶态加宽一、oppler 加宽（气体工作物质）设有静止时辐射频率为 的原子(光源)以速度v 朝向或背离观察者(接收器)运动,则被探测到的频率分别为对气体原子,平均速度的取值范围在102103m/s,要求谱线宽度值 代入Maxwell速度公式原子的发光强度与发光原子数成正比当时，上式有极大值,高斯分布,而有,例求氖原子辐射nm光谱线的多谱勒宽度?（T=300K）,二、非晶态加宽非晶态材料,是由分子的奖状混合物凝结在固体中形成的,导致一些小的区域中的分子有稍微不同的取向.应力不同,每个粒子的能级略有不同材料的不同部分辐射频率也不同.总的发射线宽具有高斯线性.综合加宽,1.5 谱线加宽下的增益系数,线型函数g(v)定义为辐射光强中频率处于v领域单位频率间隔的光强与总光强之比也可理解为跃迁几率按频率的分布函数从而爱因斯坦系数为,自发跃迁引起u变化的速率即谱线加宽对其没有影响受激辐射引起u变化的速率,增益系数（考虑谱线加宽）均匀加宽多谱勒加宽其中,于是得在处取最大值,1.6 激光器的速率方程,速率方程：能级粒子数密度随时间变化的微分方程1.速率方程的建立,1.6.2速率方程的稳态解,在小信号条件下得小信号下下能级粒子数密度两个方程直接相加得下能级粒子数密度不随光强而变,能级u的 寿命有,1.6.3反转粒子数及增益饱和,其中当饱和时反转粒子数密度下降到小信号时的一半,因式中小信号增益系数,当即饱和条件下的增益系数为小信号时的一半,1.7 连续与脉冲工作,两种基本工作状态:连续和脉冲工作1.7.1.固体三能级系统速率方程组,根据玻尔兹曼定律设波长在室温（）条件下通常有,各能级粒子数随时间变化的方程假定腔内只存在一个模,其光子寿命为 ,则光子数密度的增长速率为将激发速率用发射/吸收截面及介质的光速来表示从而得,量子效率,其中为粒子由 能级向 能级转移的量子效率为能级 上粒子的寿命,1.7.2 速率方程的解,激光器的工作方式主要由外抽运速率 的时间行为决定. 输出连续激光 输出脉冲激光,速率方程的解由 时间行为决定令对典型的三能级系统, 近似为空能级,于是假定激光器工作在阈值附近,则受激辐射很弱,一阶非齐次常微分方程,相应的齐次方程的解为用常数变易法求出C终得在 以后的时间里, 的速率方程为解为,1.7.3激光器的工作状态,激光上能级粒子数随时间的变化规律对激光脉冲和连续工作状态均适用,一.短脉冲运转 整个抽运时间内,短脉冲运转指,如果外抽运以一定周期重复施于激光器,则将以相同周期变化,二.长脉冲和连续运转,如果外抽运持续时间 ,则当t增长到某一足够大的值t1,以至时,1.8 粒子数反转分布条件,1.稳态工作情况由此解得对大多数固体三能级材料,得实现粒子数反转的条件为 或,2.瞬态工作情况,假定粒子数反转随时间变化,近似为空能级,1.9 激光放大的阈值条件,1.阈值增益系数和粒子数谐振腔的总损耗率为阈值附近腔内光强很弱，可视为小信号，则有激光在腔内放大的阈值条件阈值反转粒子数密度,能级的阈值粒子数密度一般来说所以有,连续/长脉冲光泵阈值功率,连续长脉冲工作状态,时，达到稳态值,稳态值,由此得,稳态时的光泵功率,短脉冲工作,短脉冲条件下，通常有而在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于非稳态，各能级的粒子数始终随时间变化工作物质在每个脉冲内吸收光泵能量为：光泵阈值能量为,由,1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引,1.10.1.均匀加宽激光器的模竞争当某一频率的光强增长时,整个谱线均匀下降,直到稳定工作状态,光强为I1和I2,频率是 增益系数分别为小信号增益满足直至下降到曲线A的位置时,有当增益曲线下降到曲线B的位置时,1.10.2 频率牵引,在无源腔中，第q个纵模的频率为折射率为与频率无关的常数在有源腔中第q个纵模的频率变为,相对有一个偏移对均匀加宽工作物质稳定条件下频率偏移其中考虑（牵引常量）,无源腔线宽,当有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率此现象称频率牵引,1.11 激光器的输出特性,1.11.1均匀加宽连续激光器的输出功率设腔内有一频率为的模式起振，起初，腔内光强逐渐增长由于饱和效应，增益随的增长而下降但只要就会继续增长，继续下降，直到对于均匀加宽激光器，当模频率,为简单略去或设激光束的有效横截面积为，则输出功率可写成在增益不大的条件下输出功率,输出功率与小信号增益系数及工作物质的长度成正比，且随损耗的减小而增大与的关系复杂存在最佳透过率，利用求得当输出镜的透过率取时，激光器的输出功率为,1.11.2脉冲激光器的输出能量,在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为，则有个粒子从基态跃迁到能级，其中个粒子很快通过无辐射跃迁驰豫到能级，如果满足对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为腔内激光能量为输出能量为,1.12 激光器的泵浦技术,分类1.实现步骤 直接泵谱 间接泵谱2.泵谱源 光泵谱 粒子泵谱 化学反应泵谱 核泵谱,1.直接泵谱泵谱速率光泵谱粒子泵谱是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质中处于能级粒子碰撞，导致工作物质跃迁到能级的几率,等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面的乘积如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则优点:简单缺点:1.难以产生足够的增益B13（对光泵谱)或13(对粒子泵谱)太小2.难以形成粒子数反转分布,2.间接泵谱 优点:中间能级具有远大于激光上能级的寿命,且可以是能级形成的能带;有些情况下,将粒子从基态激发到中间态的几率大于激发到上能级的几率,降低泵谱的要求按选择定律,可以使中间态向上能级的驰豫过程比中间态向激光下能级的驰豫过程快得多.,一.自上而下转移红宝石激光器和Nd:YAG激光器,半导体激光器,二.自下而上转移r+、Kr、Xe 等惰性气体离子激光器几及e Cd 激光器等,三.横向转移方式e-Ne及2 激光器,要点,1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布)2.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强)3.饱和光强 定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强.,4.谱线加宽的分类: 均匀加宽和非均匀加宽,两种加宽的本质区别？,5激光器泵谱技术的分类:直接泵谱 缺点：（34页）间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式)间接泵谱的优点？ 6.频率牵引有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度),10. 证明光谱线型函数满足归一化条件证明: 则11.激光器的输出特性。（31页）,