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1、1激光与半导体光源激光与半导体光源2概述n现代光学的主要特点现代光学的主要特点:n光源的激光化光源的激光化n手段的电子化手段的电子化3概述n激光器工作物质：激光器工作物质：n固体、气体、液体、半导体、染料等固体、气体、液体、半导体、染料等n激光器的谱线：激光器的谱线：n0.24m以下的紫外以下的紫外774 m的远红外的远红外n激光器的功率：激光器的功率：n几微瓦（几微瓦（10-6）几兆兆瓦几兆兆瓦( (1012) )4概述n高功率激光器：高功率激光器：nCO2激光器（连续输出激光器（连续输出10104 4 W W）n钕玻璃激光器（脉冲输出钕玻璃激光器（脉冲输出10101313 W W ）n钇钕
2、玻璃（钇钕玻璃（YAG）激光器（连续输出）激光器（连续输出10103 3 W W）n氦氖（氦氖（He-Ne）激光器：）激光器：n用于计量和实验，发射波长用于计量和实验，发射波长0.633 m m ， 1.15 m m ， 3.39 m m ，连续输出功率连续输出功率1-1001-100mwmw。n半导体激光器和发光二极管：半导体激光器和发光二极管：n体积小、寿命长、发光效率高、供电电源简单体积小、寿命长、发光效率高、供电电源简单5概述概述1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器用的红宝石激光器它标志着激光技术的诞生它标志着激光技术的诞生最早提
3、出激光理论的爱因斯坦最早提出激光理论的爱因斯坦最早发现激光的汤斯最早发现激光的汤斯6E1E2E3激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说玻尔假说：玻尔假说：1）原子存在某些定态，在这）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值采取某些分立的值E1、 E2 、 、En ，而不能采取，而不能采取其它值。其它值。2）只有当原子从一个定态跃）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。吸收电磁辐射。电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射7
4、激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说n玻尔频率条件：玻尔频率条件：hEEEEhmnmn或式中式中h为普郎克常数为普郎克常数：sJh341062.68激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说原子能级原子能级 原子从高能级向低能原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光级跃迁时，相当于光的的发射发射过程；而从低过程；而从低能级向高能级跃迁时，能级向高能级跃迁时，相当于光的相当于光的吸收吸收过程；过程；两个相反的过程都满两个相反的过程都满足玻尔条件。足玻尔条件。基态：基态：能级能级中能量最低中能量最低E1E2E3激发态激发态9激光的基本原理、特性
5、和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布波尔兹曼分布律：波尔兹曼分布律： 若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律。设目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系为原子体系的热平衡绝对温度；的热平衡绝对温度；Nn为在能级为在能级En上的粒子数则上的粒子数则)2 . 2()/exp(kTENnn即随着能级增高，能级上的粒子数即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少，按指数规律减少，式中式中k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。10激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布 在热平衡
6、状态中，高能级上的粒子数在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能一定小于低能级上的粒子数级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。，两者的比例由体系的温度决定。 1/ )(exp)/exp()/exp(121212kTEEkTEkTENN按这个正则分布规律：按这个正则分布规律：11激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布n在给定温度下，在给定温度下，E2-E1差值越大，差值越大，N2 比比N1 就相对地越就相对地越小。如氢原子的第一激发态与基态的粒子数之比为小。如氢原子的第一激发态与基态的粒子数之比为e-40010-170。可见在热平衡状态下
7、，气体中几乎全部原可见在热平衡状态下，气体中几乎全部原子处在基态。子处在基态。170400026. 0/2 .10121210NN0.026kT300kT.60.13,40. 3eeeVeVEeVE时：在常温12激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数正常分布粒子数正常分布热平衡是物理系统的一种状态，当系统长时间不受干热平衡是物理系统的一种状态，当系统长时间不受干扰时，它就会达到此状态。扰时，它就会达到此状态。温水温水冰箱冰箱水温冰箱内部温度水温冰箱内部温度热平衡热平衡宏观上：宏观上：“烦人烦人” ” 性质稳定，什么都不改变。性质稳定，什么都不改变。微观上：你挤我闯。分子速
8、度微观上：你挤我闯。分子速度10001000英里英里/ /小时小时 撞击质撞击质量极小量极小13激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数正常分布粒子数正常分布 即使温度比室温高得多，热平衡态中，空即使温度比室温高得多，热平衡态中，空气中大多数分子实际上处于低能态，即基态。气中大多数分子实际上处于低能态，即基态。 只有一小部分气体原子处在激发态。即使只有一小部分气体原子处在激发态。即使一个光子能从一个原子激发出另一个光子，这一个光子能从一个原子激发出另一个光子，这两个光子最终还是被别的、处于基态的大量原两个光子最终还是被别的、处于基态的大量原子所吸收。热平衡下，吸收过程压倒激
9、发过程，子所吸收。热平衡下，吸收过程压倒激发过程，光的放大不可能发生。从这个基本事实看来，光的放大不可能发生。从这个基本事实看来，光放大器几乎是不能实现的。光放大器几乎是不能实现的。14三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)E2E1h 若原子处于高能级若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时，它的意义是在单位时间内，间内，
10、E2能级上能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果的比值。如果E2能级下只有能级下只有E1能级，则在能级，则在dt时间内，由高能级时间内，由高能级E2自发辐射到低能级自发辐射到低能级E1的粒子数记作的粒子数记作dN21：22121NAdtdN15三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)nA21称为爱因斯坦系数，它可以理解为每称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个处于一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。跃迁的几率。n自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过
11、程，即励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。只由原子本身性质决定。假设假设E2能级只向能级只向E1能级跃迁，则能级跃迁，则tANNdtNAdNdN21022221212exp 积分后得：16三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)-式中式中N20 为为t0 时刻时刻E2 能级上的粒子数，能级上的粒子数， =1/A21 反映粒子平均在反映粒子平均在E2 能级上的寿命。由能级上的寿命。由上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。以指数规律衰减。-自发辐射所发出的光称为自发辐射所发出的光称为荧光荧光。/expexp0221022tNtA
12、NN17能级的寿命能级的寿命粒子在粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称级上的平均寿命，简称寿命寿命。上式表明，上式表明，N2减少的快慢与减少的快慢与A21有关有关。自发辐射自发辐射系数系数A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间时间t后，留在后，留在E2上的粒子数上的粒子数N2就愈少。令就愈少。令 =1/A21 反映粒子平均在反映粒子平均在E2能级上的寿命。能级上的寿命。它恰好是它恰好是E2上粒子数减少为初始时的上粒子数减少为初始时的1/e 约约（36%）所用的时间。所用的时间。18能级的寿命
13、能级的寿命n于是有于是有/exp022tNNn由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的过程就慢，粒子在过程就慢，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为为亚稳态亚稳态。其寿命可达。其寿命可达10-31s，而一般激发态，而一般激发态寿命仅有寿命仅有10-8s。19三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收) 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为频率为v（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为
14、的电磁波（即有能量恰好为hv E2-E1 的光子），使在低能级的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。去，这个过程称为受激吸收。E2E1h20三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收) 为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数B12。 设辐射场中单色辐射能量密度为设辐射场中单色辐射能量密度为u(v)度，则在单位体度，则在单位体积中，从能级积中，从能级 E1 跃迁到跃迁到 E2 的粒子数为的粒子数为)5 . 2()(11212dtNvuBdN B12 是一个原子能级
15、系统的特征参数，每两个能级是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的间有一个确定的B12值。值。21三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收)，则令)(1212vuBU112121NdtdNUdtNvuBdN11212)( U12 的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而从能级的光照下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到跃迁到E2上的粒子数与能级上的粒子数与能级E1上的总粒子数之比，也可以理解为每一个处于能级上的总粒子数之比，也可以理解为每一个处于能级E1的粒子，的粒子，在在u(v)的光照下，在单位时间内
16、发生受激吸收的几率。的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。 因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来辐射场的辐射场的u(v)有关的过程。有关的过程。22三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射) 当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级质而粒子已经处在高能级E2上时，这时会发生一个十分重要的过上时，这时会发生一个十分重要的过程程受
17、激辐射过程受激辐射过程。如果外来光的频率正好等于如果外来光的频率正好等于（ E2 -E1）/h ，由于受到入射光子的激发，由于受到入射光子的激发， E2 能级上的粒子会跃迁而回到能级上的粒子会跃迁而回到E1 能级能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。生奠定了理论基础。E2E1hh23三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射)n 式中式中B21 叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能叫做爱因
18、斯坦受激辐射系数，它是原子能级系统本身的特征参数；级系统本身的特征参数；U21 则表示在单位时间内，在则表示在单位时间内，在单色辐射能量密度单色辐射能量密度u(v) 的光照下，由于受激辐射而从的光照下，由于受激辐射而从高能级高能级E2 跃迁到跃迁到E1 的粒子数与的粒子数与E2 能级总粒子数之比，能级总粒子数之比，也就是在也就是在E2 能级上每一个粒子在单位时间内发生受激能级上每一个粒子在单位时间内发生受激辐射的几率。辐射的几率。22121211)(NdtdNvuBU24激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 三种跃迁过程三种跃迁过程E2E1h（a）自发辐射）自发辐射E2E1（c
19、）受激辐射）受激辐射E2E1（b）受激吸收）受激吸收 由于原子在各能级上有一定的统计分布，所以在满足上述频率由于原子在各能级上有一定的统计分布，所以在满足上述频率条件的外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的条件的外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强
20、。hhh25激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式n考虑任意两个能级考虑任意两个能级E1、E2（ E2 E1 ），设体），设体系在任意时刻系在任意时刻t处于这两个能级的原子数分别处于这两个能级的原子数分别为为N1和和N2，则单位时间内发生某种跃迁过程的则单位时间内发生某种跃迁过程的原子数为原子数为对于受激辐射过程（对于受激辐射过程（E2E1 ）：）：)4 . 2()(22121NvuBdtdN对于受激吸收过程（对于受激吸收过程（E1E2）：）：)5 . 2()(11212NvuBdtdN对于自发辐射过程（对于自发辐射过程（E2E1 ）：）：)6 . 2(
21、22121NAdtdN爱因斯坦系数爱因斯坦系数辐射能密度的谱密度辐射能密度的谱密度爱因斯坦系数爱因斯坦系数爱因斯坦系数爱因斯坦系数26)7 . 2()(21211221221112221BNNBANBNBNAvuT激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式n细致平衡细致平衡 每对能级之间粒子的交换都达到平衡。每对能级之间粒子的交换都达到平衡。 在热平衡态中，在热平衡态中，u(v)等于标准能谱等于标准能谱 uT(v)，单位时单位时间内由能级间内由能级E2 跃迁到能级跃迁到能级E1 的原子数为：的原子数为：221221)(NANvuBT 由能级由能级E1跃迁到能
22、级跃迁到能级E2的原子数为：的原子数为：112)(NvuBT 达到细致平衡时二者相等：达到细致平衡时二者相等：112221221)()(NvuBNANvuBTT由此解出由此解出27激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式按正则分布的波尔条件：按正则分布的波尔条件：kThvkTEENNexp/ )exp(1221按普朗克黑体辐射公式：按普朗克黑体辐射公式：1exp8,4)(330kThvchTcvuT2112212121122133exp1exp8BkThvBABNNBAkThvch28激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯
23、坦公式n要上式两端对任何要上式两端对任何kv/kT之值均成立，必须系之值均成立，必须系数分别相等，即数分别相等，即21331233212112331221888BchBchABBBchBA或及 以上仅是三个爱因斯坦系数之间的关系，它们表明，从下面以上仅是三个爱因斯坦系数之间的关系，它们表明，从下面越难激发上去的能级，从上面自发地跃迁下来的几率也越小。越难激发上去的能级，从上面自发地跃迁下来的几率也越小。29三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射与自发辐射的区别受激辐射与自发辐射的区别)n受激辐射与自发辐射虽然都是受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子从高能级向低能级跃迁并发射光子
24、的过程的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于最重要的区别在于光辐射的相干性光辐射的相干性，由，由自发辐射自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的方向都有一定的任意性任意性，而，而受激辐射受激辐射所发出的光子在频率、相位、所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性高度的简并性。一般说。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增加，自发辐射光功率射也随之
25、增加，自发辐射光功率I I自自和受激辐射和受激辐射I I受受分别为分别为hvvuBNIhvANI)(212212受自21212121)(AWAvuBII两者之比为自受n在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。30激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数反转和光放大u 当一束频率为当一束频率为v 的光通过具有能级为的
26、光通过具有能级为E1E2 的介质的介质时，将同时发生受激吸收和受激辐射过程，前一种过时，将同时发生受激吸收和受激辐射过程，前一种过程使入射光减弱，后一种过程使入射光加强。若在单程使入射光减弱，后一种过程使入射光加强。若在单位时间位时间dt 内，单位体积内受激吸收的光子数为内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为受激辐射的光子数为dN21 ，则有，则有）（于是10. 2)()()()(1211222112211121222121NNdtNvuBdtNvuBdNdNdtNvuBdNdtNvuBdN31激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 三种跃迁过程三种跃迁过程
27、E2E1h自发辐射自发辐射E2E1受激吸收受激吸收hE2E1受激辐射受激辐射hhh22121NAdtdN22121)(NvuBdtdN11212)(NvuBdtdN112221221)()(NvuBNANvuBTT细致平衡细致平衡322112212121122133exp1exp8BkThvBABNNBAkThvch激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式112221221)()(NvuBNANvuBTT21211221221112221)(BNNBANBNBNAvuT1exp8,4)(330kThvchTcvuTkThvkTEENNexp/)exp(12
28、21普朗克黑体普朗克黑体辐射公式辐射公式玻尔条件玻尔条件33激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式21331233212112331221888BchBchABBBchBA或及至此可以看出：至此可以看出：A21、B12、B21三个爱因斯坦系数是三个爱因斯坦系数是相互关联相互关联的，它们之间存在着内在的的，它们之间存在着内在的联系，决不是相互孤立的；联系，决不是相互孤立的；对一定原子体系而言，自发辐射系数对一定原子体系而言，自发辐射系数A与受激辐射系数与受激辐射系数B之比正比于频率之比正比于频率的三次方，因而的三次方，因而E1与与E2能级差越大，能级差越大
29、，就越高，就越高，A与与B的比值也就越大，的比值也就越大，也就是说也就是说越高越易自发辐射，受激辐射越难，一般地，在热平衡条件下，越高越易自发辐射，受激辐射越难，一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。 34激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数反转和光放大n（1）当）当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，粒子数按时，粒子数按波尔兹曼正则分布。波尔兹曼正则分布。此时有此时有dNdN1212dNdN2121，宏观效果表现为光被吸收。，宏观效果表现为光被吸收。n（2 2）当当（N N2 2/N/N1 1）1 1时
30、，高能级时，高能级E E2 2上的粒子数上的粒子数N N2 2大于低能大于低能级级E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1，出现所谓的，出现所谓的“粒子数反转分布粒子数反转分布”情况。情况。形成激光的必要条件。形成激光的必要条件。此时有此时有dNdN2121dNdN12，宏观效果表现，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。为光被放大，或称光增益。n能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。35激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数反转和光放大光被吸收光被吸收（正常分布）（正常分布）E2E1hE2E1hh光被放大光
31、被放大（粒子数反转分布）（粒子数反转分布）36复习复习玻尔假说玻尔假说粒子数正常分布粒子数正常分布三种跃迁过程三种跃迁过程( (自发辐射自发辐射) )三种跃迁过程三种跃迁过程( (受激吸收受激吸收) )三种跃迁过程三种跃迁过程( (受激辐射受激辐射) )能级的寿命能级的寿命爱因斯坦公式爱因斯坦公式粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大37激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光器的基本结构激励能源激励能源激活介质激活介质光学谐振腔光学谐振腔R100%R为为80%90%使入射光得到使入射光得到放大，是放大，是核心核心供给工作物质供给工作物质能量能量只让与反射镜轴向平行的光束只让与
32、反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。的激光输出。光抽运光抽运激光束38最亮的光最亮的光n 激光以及它的微波兄弟（激光以及它的微波兄弟（masermaser）来源于受激原子产生的光）来源于受激原子产生的光子（射线）受激辐射。爱因斯坦在子（射线）受激辐射。爱因斯坦在19171917年预言了该过程的存在。年预言了该过程的存在。今天，激光奠定了很多消费产品的基础，包括指示器、水平仪和今天，激光奠定了很多消费产品的基础，包括指示器、水平仪和DVDDVD播放机。播放机。1原子在一个两原子在一个两端有镜面的腔
33、体中。端有镜面的腔体中。原子被注入的能量原子被注入的能量充能。充能。镜面镜面100镜面镜面90原子原子注入的能量注入的能量39最亮的光最亮的光1原子在一个两原子在一个两端有镜面的腔体中。端有镜面的腔体中。原子被注入的能量原子被注入的能量充能。充能。镜面镜面100镜面镜面90原子原子注入的能量注入的能量40最亮的光最亮的光镜面镜面100镜面镜面901充能后处于激充能后处于激发态的原子。发态的原子。41最亮的光最亮的光2注入的能量激注入的能量激发原子，使它们发原子，使它们处在高能态。一处在高能态。一些原子会自发地些原子会自发地放出一个光子从放出一个光子从而回到原来的非而回到原来的非激发态。激发态。
34、受激受激原子原子自发自发辐射辐射光子光子42最亮的光最亮的光2注入的能量激注入的能量激发原子，使它们发原子，使它们处在高能态。一处在高能态。一些原子会自发地些原子会自发地放出一个光子从放出一个光子从而回到原来的非而回到原来的非激发态。激发态。受激受激原子原子43最亮的光最亮的光3自发辐射自发辐射出的光子可出的光子可以轰击受激以轰击受激原子，激发原子，激发该原子放出该原子放出一个全同的一个全同的光子。光子。受激受激原子原子受激受激辐射辐射44最亮的光最亮的光3自发辐射自发辐射出的光子可出的光子可以轰击受激以轰击受激原子，激发原子，激发该原子放出该原子放出一个全同的一个全同的光子。光子。受激受激原
35、子原子45最亮的光最亮的光4自这些光子又自这些光子又可以进一步从可以进一步从其他受激原子其他受激原子激发辐射。当激发辐射。当原子回到原来原子回到原来状态时，每一状态时，每一个原子都贡献个原子都贡献出一个全同的出一个全同的光子。光子。46最亮的光最亮的光5这些光子从这些光子从镜面反射回来，镜面反射回来，使它们可以激使它们可以激发其他原子放发其他原子放出光子。出光子。47最亮的光最亮的光6一些光子一些光子从部分透射从部分透射镜面逸出，镜面逸出，在腔外形成在腔外形成一束相干光。一束相干光。 激光激光48激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激活介质的粒子数反转与增益系数激活介质的粒子
36、数反转与增益系数n 光抽运可以将粒子从低能级抽运到光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的激吸收和受激辐射的几率是相同的（B B1212=B=B2121），最终只有达到两个能级的），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定，所以不粒子数相等而使系统趋向稳定，所以不能实现粒子数反转。能实现粒子数反转。49激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激活介质的粒子数反转与增益系数激活介质的粒子数反转与增益系数无辐射跃迁无辐射跃迁抽运抽运抽运抽运激励激励E3E0E2E3A21E1E2E1A21B
37、12B12B21B21三能级图四能级图亚稳态基态激发态50三能级系统原理三能级系统原理n E E1 1为基态，为基态，E E2 2、E E3 3 为激发态，中间能级为激发态，中间能级E E2 2为亚稳态。在泵浦作用下，基态为亚稳态。在泵浦作用下，基态E E1 1的粒子被抽的粒子被抽运到激发态运到激发态E E3 3上，上，E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1随之减少。但随之减少。但由于由于E E3 3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以以无辐射跃迁无辐射跃迁的方式转移到亚稳态的方式转移到亚稳态E E2 2上。由于上。由于E E2 2态寿命长，其上就累积了
38、大量的粒子，即态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N N2 2大大于于N N1 1，于是，于是实现了亚稳态实现了亚稳态E E2 2与基态与基态E E1 1间的粒子数间的粒子数反转分布。反转分布。51四能级系统原理四能级系统原理n 三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使运很快，才可使N N2 2 N N1 1 ，实现粒子数反转。，实现粒子数反转。n 四能级系统是使系统在两个激发态四能级系统是使系统在两个激发态E E2 2、E E1 1之间实现粒之间实现粒子数反转
39、。因为这时低能级子数反转。因为这时低能级E E1 1 不是基态而是激发态，其上不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E E2 2上的粒子数稍有上的粒子数稍有积累，就容易达到积累，就容易达到N N2 2 大于大于N N1 1，实现粒子数反转分布，在能，实现粒子数反转分布，在能级级E E2 2 、E E1 1 之间产生激光。于是，之间产生激光。于是，E E3 3 上的粒子数向上的粒子数向E E2 2 跃迁跃迁， E E1 1上的粒子数向上的粒子数向E E0 0 过渡，整个过程容易形成连续反转，过渡，整个过程容易形成连续反转，因因而四能级系统比三
40、能级系统的效率高而四能级系统比三能级系统的效率高。 52小结小结n 不论三能级系统或四能级系统，要实现粒不论三能级系统或四能级系统，要实现粒子数反转必须子数反转必须内有亚稳态，外有激励源（泵内有亚稳态，外有激励源（泵浦），粒子的整个输运过程必定是一个循环往浦），粒子的整个输运过程必定是一个循环往复的非平衡过程。复的非平衡过程。激活介质的作用就是提供亚激活介质的作用就是提供亚稳态。稳态。所谓三能级或四能级图，并不是激活介所谓三能级或四能级图，并不是激活介质实际能级图，它们只是对造成反转分布的整质实际能级图，它们只是对造成反转分布的整个物理过程所作的个物理过程所作的抽象概括抽象概括。实际能级图要比
41、。实际能级图要比这复杂，而且一种激活介质内部，可能同时存这复杂，而且一种激活介质内部，可能同时存在几对待定能级间反转分布，相应地发射几种在几对待定能级间反转分布，相应地发射几种波长的激光。波长的激光。 53作业作业n1、玻尔假说及玻尔频率条件、玻尔假说及玻尔频率条件n2、说明三种跃迁过程（最好有图示）、说明三种跃迁过程（最好有图示）n3、什么是粒子数反转？、什么是粒子数反转？n4、激光器的结构及各部分的功能。、激光器的结构及各部分的功能。n5、爱因斯坦系数之间的关系。、爱因斯坦系数之间的关系。n6、为什么四能级系统比三能级系统效率高？、为什么四能级系统比三能级系统效率高？54激光的基本原理、特
42、性和应用激光的基本原理、特性和应用 增益系数增益系数n 在激活介质中，个在激活介质中，个别处于高能级的粒子自别处于高能级的粒子自发辐射频率为发辐射频率为v v 的光通的光通过该介质中传播。由于过该介质中传播。由于这时激活介质已实现粒这时激活介质已实现粒子数反转，所以频率为子数反转，所以频率为的光通过该介质后将的光通过该介质后将获得增益，越来越强。获得增益，越来越强。0ZZ+dZI0I介质的增益I(z)+dI(z)I(z)55激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 增益系数增益系数n设在激活介质设在激活介质Z处光强为处光强为I（Z），经），经dZ距离后，距离后，I（Z）的改变量为）
43、的改变量为dI(Z)，则有：则有： dZZGIZdI)()(增益系数，表示增益系数，表示介质对光的放大介质对光的放大能力。能力。 设在光的传播过程中设在光的传播过程中G不变，不变，将上式积分后得：将上式积分后得：)exp()()(0GZZIZIn 即即I（Z）将随着传播距离）将随着传播距离Z的增加呈指数增长。式中的增加呈指数增长。式中I0（Z）为）为Z=0处的光强。处的光强。 56激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 增益系数增益系数 增益增益G 的大小与频率的大小与频率和和光强光强I 都有关系。它随光强的都有关系。它随光强的增加而下降。这一点可解释增加而下降。这一点可解释为：
44、为：增益增益G 随粒子数反转程随粒子数反转程度（度（N2-N1）的增加而上升，）的增加而上升，在同样的抽运条件下，光强在同样的抽运条件下，光强I 越强，意味着单位时间内从越强，意味着单位时间内从亚稳态上向下跃迁的粒子数亚稳态上向下跃迁的粒子数就越多，从而导致反转程度就越多，从而导致反转程度减弱，因此增益也随之下降。减弱，因此增益也随之下降。 GI2I1增益曲线I2 I1057激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值 n有了激活介质和谐振腔还不一定能输出激光，有了激活介质和谐振腔还不一定能输出激光，因为：因为： 激活介质使光得到增益，光强变大；激活介质使光得到增
45、益，光强变大； 光在端面上的反射、透射等，会产生光能损耗，使光能变光在端面上的反射、透射等，会产生光能损耗，使光能变小。小。 若光的增益小于其损耗，就没有激光输出。因此，若光的增益小于其损耗，就没有激光输出。因此，必须使增益大于损耗，光在谐振腔内来回反射时，其光必须使增益大于损耗，光在谐振腔内来回反射时，其光强才能不断增大，最后才有稳定的激光输出。强才能不断增大，最后才有稳定的激光输出。 58激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别反射率分别为为R1、R2，透射率分别透射率分别为为T1、T2 GLIIexp1
46、2GLIRIRIexp12223GLIRGLII2expexp1234GLIRRIRI2exp12141522IT31IT59激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值p 要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必须保证：必须保证：R2R1I1exp(2GL)I1,即即R2R1exp(2GL)1 (2.15)p 对于给定的谐振腔对于给定的谐振腔R1、R2，L是一定的。从上式是一定的。从上式可见，可见，要使其左端大于或等于要使其左端大于或等于1，必须使增益系数，必须使增益系数G大大于某个最低值于某个最低值Gm，这个使（，
47、这个使（2.15）式成立的）式成立的Gm值，值，就是谐振腔的阈值增益。（就是谐振腔的阈值增益。（2.15）式称为谐振腔的阈）式称为谐振腔的阈值条件。值条件。 60激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值n由此可得谐振腔的阈值增益为：由此可得谐振腔的阈值增益为： 21211211ln21RnRLRRLGm 实际上，在实际上，在GGm 时，随着光强的增大，工作物时，随着光强的增大，工作物质的实际增益质的实际增益G 将下降，直至将下降，直至G=Gm 时，光强就维时，光强就维持稳定。持稳定。 61激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈
48、值n综上所述，形成激光的必要条件有两个：综上所述，形成激光的必要条件有两个：在激光器工作物质内的某些能级间实在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布现粒子数反转分布激光器必须满足阈值条件激光器必须满足阈值条件 62激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 n谐振腔的作用：谐振腔的作用：n使激光具有很好的方向性使激光具有很好的方向性 ；n使激光具有极好的单色性（频率选择器）；使激光具有极好的单色性（频率选择器）； 63纵模形成示意图纵模形成示意图12364激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模n
49、光波在两个反射镜之间来回反射，腔内存在着反向传光波在两个反射镜之间来回反射，腔内存在着反向传播的两列相干波，当其波长满足干涉相干条件时，就播的两列相干波，当其波长满足干涉相干条件时，就以驻波形式在腔内稳定存在。即以驻波形式在腔内稳定存在。即 (2.17).2 , 1 , 0(2kknL 式中式中L 为腔长，为腔长，n 为工作物质的折射率。为工作物质的折射率。k 为正整数，表示为正整数，表示腔内的波节数和波腹数。腔内的波节数和波腹数。 vc/)18.2(2nLkcvk 上式说明，只有满足这个频率关系的光波，才能以驻波形式存在于谐上式说明，只有满足这个频率关系的光波，才能以驻波形式存在于谐振腔中。
50、振腔中。 65激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模n 一般地说，由于腔长一般地说，由于腔长L 远大于远大于，所，所以以k 的取值不只一个，因而满足上述关的取值不只一个，因而满足上述关系的频率也不只一个。而那些不满足这系的频率也不只一个。而那些不满足这个频率关系的光波，就不能形成驻波，个频率关系的光波，就不能形成驻波，即不能产生谐振，也就不能形成激光。即不能产生谐振，也就不能形成激光。从（从（2.18）式可见，）式可见，腔长腔长L 起着对频率起着对频率的选择作用。的选择作用。 66激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和