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1、光与现光与现代科技代科技光与现代科技光与现代科技讲座讲座第二章第二章 光源与激光器光源与激光器 光与现光与现代科技代科技光与现代科技讲座光与现代科技讲座 第一章第一章 绪论2第二章第二章 光源与激光器光源与激光器2第三章第三章 光光纤与光学与光学传感技感技术4第四章第四章 激光在激光在现代医学中的代医学中的应用用4第五章第五章 激光在激光在军事技事技术中的中的应用用4第六章第六章 激光在激光在现代工代工业和加工中的和加工中的应用用 4 第七章第七章 光与信息技光与信息技术4第八章第八章 光通信技光通信技术与网与网络6第九章第九章 光学成像、全息与光学成像、全息与显示技示技术2第十章第十章 光光
2、电集成与集成与纳米技米技术2光与现光与现代科技代科技第二章第二章 光源与激光器光源与激光器2.1 光源及其特性光源及其特性1.光源的光源的类别2.光源的基本特性参数光源的基本特性参数3.激光的基本特性；激光的基本特性；2.2 激光激光辐射原理射原理1.跃迁和迁和辐射射2.激光器的基本构成激光器的基本构成3.激活粒子的能激活粒子的能级系系统4.激光激光输出模式出模式 激光器的激光器的类型型1.气体激光器气体激光器2.固体激光器固体激光器3.染料激光器染料激光器4.半半导体激光器体激光器5.光光纤激光器激光器光与现光与现代科技代科技 2.1 光源及其特性光源及其特性发光是由于自光是由于自发辐射或受
3、激射或受激辐射射导致的。凡是能致的。凡是能辐射光波的物体均射光波的物体均为光源光源按照光源的性按照光源的性质，光源可分，光源可分为自然光源和人造光自然光源和人造光源、相干光源和非相干光源等。源、相干光源和非相干光源等。自然光源自然光源：是自然界中存在的，如太阳、恒星等：是自然界中存在的，如太阳、恒星等人造光源人造光源：是人：是人为地将各种形式的能量，如地将各种形式的能量，如热能、能、电能、化学能能、化学能转换为光光辐射能的器件，其中利用射能的器件，其中利用电能能产生光生光辐射的器件称射的器件称为电光源，如激光器等光源，如激光器等相干光源相干光源：频率相同、振率相同、振动方向相同，相位差恒方向相
4、同，相位差恒定的光源定的光源非相干光源非相干光源1、光源类别、光源类别光与现光与现代科技代科技1960年一种神奇的光年一种神奇的光诞生了，它就是激光。生了，它就是激光。什么是激光？什么是激光？激光是受激激光是受激辐射的光放大，是利用物射的光放大，是利用物质受激受激辐射原射原理和光放大理和光放大过程程产生出来的一种特殊光。生出来的一种特殊光。激光的英文名称是激光的英文名称是 Laser，它是英，它是英语短短语“受激受激发射光射光（light amplification by stimulated emission of radiation）放大放大”中每个中每个实词第一个字母第一个字母组成的成的
5、缩略略词，它包含了激光，它包含了激光产生的由来。生的由来。它一出它一出现就就创造了造了许多奇迹，真可多奇迹，真可谓“一一鸣惊人惊人”。二十世二十世纪四大四大发明：半明：半导体；原子能；体；原子能；计算机；激算机；激光光激光器的激光器的问世使整个自然科学及相关技世使整个自然科学及相关技术发生了天生了天翻地覆的翻地覆的变化，它正在做着人化，它正在做着人们昨天无法想象的事昨天无法想象的事情，明天定将做出更多人情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！今天无法想象的事情！让我我们关注身关注身边的科技，不断的学的科技，不断的学习和探索。和探索。光与现光与现代科技代科技高方向性高方向性颜色极纯颜色极纯-
6、单色性强单色性强 相干性强，3.激光的特性激光的特性高强度，高亮度；高强度，高亮度；激光是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主激光是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主要特点：要特点：光与现光与现代科技代科技普通光源（太阳、白普通光源（太阳、白普通光源（太阳、白普通光源（太阳、白炽炽灯或灯或灯或灯或荧荧光灯）向四面八方光灯）向四面八方光灯）向四面八方光灯）向四面八方发发光，而激光的光，而激光的光，而激光的光，而激光的发发光方向可以限制在小于几个毫弧度立光方向可以限制在小于几个毫弧度立光方向可以限制在小于几个毫弧度立光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，体角内，体角内，体角内，这这就使得在
7、照射方向上的照度提高千万倍。就使得在照射方向上的照度提高千万倍。就使得在照射方向上的照度提高千万倍。就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、激光准直、激光准直、激光准直、导导向和向和向和向和测测距就是利用方向性好距就是利用方向性好距就是利用方向性好距就是利用方向性好这这一特性一特性一特性一特性激光束激光束激光束激光束发发散角小，接近衍射极限，散角小，接近衍射极限，散角小，接近衍射极限，散角小，接近衍射极限，约为约为1010-3-3radrad量量量量级级，对应对应的主体角在的主体角在的主体角在的主体角在1010-6-6srsr量量量量级级。普通光源。普通光源。普通光源。普通光源发发出的光
8、出的光出的光出的光辐辐射射射射沿沿沿沿4 4 立体角分布，比激光束大立体角分布，比激光束大立体角分布，比激光束大立体角分布，比激光束大10106 6倍。激光束是高度倍。激光束是高度倍。激光束是高度倍。激光束是高度平行的光束。平行的光束。平行的光束。平行的光束。1.1.方向性好方向性好它它发射出去的光，基本上是一条直的平行光束。射出去的光，基本上是一条直的平行光束。光与现光与现代科技代科技光束发散角光束发散角=2 探照灯：探照灯：35毫弧度毫弧度1度度激激 光：光：10-2毫弧度毫弧度sr激光的高方向性激光的高方向性光与现光与现代科技代科技具有具有单一一频率的光波称率的光波称为单色光。色光。任何
9、光源所任何光源所发出的光波都有一定的出的光波都有一定的频率（或波率（或波长范范围，在此范，在此范围内，各种内，各种频率（或波率（或波长）所）所对应的的强度是不同的。度是不同的。波波长所所对应的波的波长范范围越窄，光的越窄，光的单色性越好色性越好谱线宽度度：通常用：通常用强度下降到度下降到的两点之的两点之间的波的波长范范围：谱线宽度是度是标志志谱线单色性好坏的物理量色性好坏的物理量单色光：2.2.单色性好。单色性好。光与现光与现代科技代科技光波的光波的单色性可表示色性可表示为 氦氦氖激光的激光的单色性比色性比单色性最好的普色性最好的普通光源，如通光源，如氪灯好灯好倍。倍。谱线宽度谱线宽度中心波长
10、中心波长=激激光光问世世前前，最最好好的的单色色光光是是氪灯灯发出出的的光光，而而激激光光比比氪灯灯光光的的单色色性性高高出出几几十万倍。十万倍。激光的激光的颜色极色极纯单色性色性强光与现光与现代科技代科技光是一种光是一种电磁波。光的磁波。光的颜色取决于它的波色取决于它的波长。普通光源普通光源发出的光通常包含着各种波出的光通常包含着各种波长，是各，是各种种颜色光的混合。太阳光包含色光的混合。太阳光包含红、登、黄、登、黄、绿、青、青、蓝、紫七种、紫七种颜色的可色的可见光及光及红外光、紫外外光、紫外光等不可光等不可见光。光。而某种激光的波而某种激光的波长，只集中在十分窄的光，只集中在十分窄的光谱波
11、波段或段或频率范率范围内。如氦内。如氦氖激光的波激光的波长为纳米，米，其波其波长变化范化范围不到万分之一不到万分之一纳米。米。由于激光的由于激光的单色性好，色性好，为精密度精密度仪器器测量和激量和激励某些化学反励某些化学反应等科学等科学实验提供了极提供了极为有利的有利的手段。手段。光与现光与现代科技代科技 激光器能激光器能激光器能激光器能产产生生生生宽宽度极窄的光脉冲，使用度极窄的光脉冲，使用度极窄的光脉冲，使用度极窄的光脉冲，使用 开关的开关的开关的开关的激光器，可激光器，可激光器，可激光器，可输输出脉出脉出脉出脉宽宽1010-9-9s s左右的光脉冲，使用左右的光脉冲，使用左右的光脉冲，使
12、用左右的光脉冲，使用锁锁模模模模技技技技术术，可，可，可，可产产生生生生1010-14-14s s的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量被集中在极短的短的短的短的时间时间内内内内发发射出来，因此光功率极高。射出来，因此光功率极高。射出来，因此光功率极高。射出来，因此光功率极高。3.高高强度度和和高高亮亮度度。激激光光是是当当代代最最亮亮的的光光源源，只只有有氢弹爆爆炸炸瞬瞬间强烈烈的的闪光光才才能能与与它它相相比比拟。太太阳阳光光亮亮度度大大约是是103瓦瓦（厘厘米米2.球球面面度度），而而一一台台大大功功率率激激光光器器的的输出
13、出光光亮亮度度经太太阳阳光光高高出出714个个数数量量级，即激光的亮度比太阳表面的亮度高几百即激光的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍，倍，一台普通的一台普通的红宝石激光器宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮出激光亮度，比太阳亮度高度高8个数量个数量级(几千万倍）几千万倍）光与现光与现代科技代科技强激光甚至可激光甚至可产生上生上亿度的高温。度的高温。尽管激光的尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点集中，很容易在某一微小点处产生高生高压和几万和几万摄氏氏度甚至几百万度甚至几百万摄氏度高温。氏度高温。激光打孔、切割、激光打孔、切割、焊接和激光外
14、科手接和激光外科手术就是利用了就是利用了这一特性。一特性。地球上任何一种已知材料，无地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在其熔点多高，在强激光照射下激光照射下1秒秒钟之内即可开始气化；任何一种金之内即可开始气化；任何一种金属或属或钻石，不管其硬度多大，激光均可石，不管其硬度多大，激光均可轻而易而易举地地对它打孔。它打孔。光与现光与现代科技代科技干涉是波干涉是波动现象的一种属性。由于激象的一种属性。由于激光具有高光具有高单色性和高定向性，决定了激光色性和高定向性，决定了激光具有极好的具有极好的时间相干性和空相干性和空间相干性。激相干性。激光的光的这一特性使全息照相成一特性使全息照相成为现实。
15、特制的氦特制的氦 氖激光器激光器输出的光束，相出的光束，相干干长度达度达2 107km。氪灯只有。灯只有。4.相相干干性性好好、偏偏振振性性好好。激激光光即即便便从从各各点点发出出的的光光，也也如如同同从从一一个个点点发出出的的光光一一样，具有相同的具有相同的频率、相位和振率、相位和振动方向。方向。光与现光与现代科技代科技所所谓激光技激光技术，就是，就是探索开探索开发各种各种产生激光的方法生激光的方法以以及探索及探索应用用激光的激光的这些特性些特性为人人类造福的造福的技技术的的总称称自自1960年美国研制成功世界上第一台年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，宝石激光器，我国也于我国也于196
16、1年研制成功国年研制成功国产首台首台红宝石激光器以来，宝石激光器以来，激光技激光技术被被认为是是20世世纪继量子物理学、无量子物理学、无线电技技术、原子能技原子能技术、半、半导体技体技术、电子子计算机技算机技术之后的又之后的又一重大科学技一重大科学技术新成就。新成就。30多年来，激光技多年来，激光技术得到突得到突飞猛猛进的的发展，不展，不仅研制研制了各个特色的多种多了各个特色的多种多样的激光器，而且激光的激光器，而且激光应用用领域域不断拓展，并形成了激光唱不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医唱机、激光医疗、激光、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及加工、激光全息照相、激光照排印
17、刷、激光打印以及激光武器等一系列新激光武器等一系列新兴产业。激光技激光技术的的飞速速发展，使其成展，使其成为当今新技当今新技术革命的革命的“带头技技术”之一。之一。光与现光与现代科技代科技2.2 激光辐射原理激光辐射原理1.激光器的激光器的发明明2.能能带理理论3.激光的激光的产生与激光器生与激光器跃迁和迁和辐射射激光器的基本构成激光器的基本构成3.激活粒子的能激活粒子的能级系系统4.激光激光输出模式出模式激光器的构造，激光器的构造，基本原理，特性，分基本原理，特性，分类；光与现光与现代科技代科技1、激光器的发明1917 年年 爱因斯坦提出了受激因斯坦提出了受激辐射理射理论按照量子按照量子论辐
18、射的射的发射和吸收射和吸收，关于关于辐射的射的量子理量子理论强调光的物光的物质性；用量子性；用量子观点点预言言受激受激辐射射的存在的存在和和光放大光放大的可能性。的可能性。1954年美国物理学家年美国物理学家汤斯研制成功波斯研制成功波长为1.25厘米的氨分子振厘米的氨分子振荡器器受激受激辐射微波放大器射微波放大器1958年年 肖洛和肖洛和汤斯斯发表了表了红外外线和光的微波和光的微波激器激器肖洛提出肖洛提出创造性造性设想想光腔代替微波光腔代替微波共振腔共振腔1960年年 7月月7日梅曼制成了世界上第一台激光日梅曼制成了世界上第一台激光器器红宝石激光器宝石激光器光与现光与现代科技代科技向各个方向自
19、发辐射的向各个方向自发辐射的光子光子沿中心轴方向的辐射被受沿中心轴方向的辐射被受激放大激放大光在工作物质中反复光在工作物质中反复传播被放大传播被放大激光器的组成：工作物质激光器的组成：工作物质 泵辅泵辅源源 光谐振腔光谐振腔工作物质聚光腔+M光谐振腔MM肖洛提出光腔代替微波共振腔光与现光与现代科技代科技1960年7月7日：梅曼成功研制出第一台红宝石激光器光与现光与现代科技代科技世界上第一台激世界上第一台激光器光器诞生于生于19601960年，我国于年，我国于19611961年研制出第一台年研制出第一台激光器。激光器。梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器光与现光与现代科技代科技（1）原子中电子的
20、能级原子核原子核用能级表示电子绕用能级表示电子绕核运动的运动状态核运动的运动状态E0基态基态1SE2激发态激发态2PE1激发态激发态2S能能带带理理论论2、能带理论光与现光与现代科技代科技（2）晶体中原子的能带N个分裂分裂的能级（b b）组成晶体后的能带）组成晶体后的能带N N个相同的能级个相同的能级（a a）分属于）分属于N N个单个原子的相同能级个单个原子的相同能级1 1）能带）能带电子的共有化子的共有化：当原子之：当原子之间距离很近的距离很近的时候，不同的原候，不同的原子之子之间的的电子子轨道将道将发生不生不同程度的重叠，最外同程度的重叠，最外层电子子的的轨道重叠最多。道重叠最多。轨道的
21、重道的重叠使原来属于某一个原子的叠使原来属于某一个原子的电子成子成为整个晶体共有。整个晶体共有。原子核原子核原子核原子核光与现光与现代科技代科技价带价带导带导带禁带禁带价价带：能量最高的被价能量最高的被价电子填子填满的能的能带导带：价价带以上的能以上的能带基本上是基本上是空的，其中能量最低的能空的，其中能量最低的能带禁禁带：价价带与与导带之之间的区域的区域2 2）泡利不相容原理）泡利不相容原理泡利不相容原理限制能占有某个原子能泡利不相容原理限制能占有某个原子能级的的电子子数，同数，同样也限制一个晶格的能也限制一个晶格的能带内所容内所容纳的的电子数。子数。举例：考例：考虑钠原子中原子中3S原子能
22、原子能级的能的能带一般的原子中，内一般的原子中，内层电子的能子的能级以及其相以及其相应的能的能带都都是被是被电子填子填满的。而硅等共价的。而硅等共价键结合的晶体中，其内合的晶体中，其内层电子到最外子到最外层的价的价电子都正好填子都正好填满相相应的能的能带。能能带带理理论论光与现光与现代科技代科技（3 3）导体中的能带）导体中的能带考考虑一种如一种如图所示能所示能带结构的金属，构的金属，这种能种能带结构可能相当于构可能相当于钠(Z=11)的能的能级。结论：具有如具有如图所示那所示那样能能带结构的物构的物质应为良良导体，体，换句句话说，良，良导体体(也称金属也称金属)是那些最高是那些最高能能带未被
23、完全填未被完全填满的固体。的固体。又如又如:Li(1SLi(1S2 22S2S1 1);Al(1S);Al(1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P1 1)Mg(1SMg(1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 2)能能带带理理论论光与现光与现代科技代科技疑问：如上面的分析，那么疑问：如上面的分析，那么Mg(Mg(镁镁)是否属于是否属于良导体呢？良导体呢？6)2s(1镁镁s2 2 2p 3s2 晶体能带晶体能带sspsp未满带未满带1223满满 带带半满带半满带3能带重叠结论：实际上由于最高能上由于最高能带可能可能发生重叠，生重叠，镁的的3S电子可分布在子可分布在
24、3S和和3P能能带中，因此中，因此镁应为良良导体。体。对有些物有些物质，它，它们的原子具有的原子具有满充壳充壳层，但是在固，但是在固体体时由于最上面的由于最上面的满带和一个空和一个空带重叠的重叠的话，便成，便成为导体，常称体，常称这些物些物质为半金属。半金属。能能带带理理论论光与现光与现代科技代科技（4 4）绝缘体的能带）绝缘体的能带现在考在考虑这样一种一种物物质，该物物质中的中的最高能最高能带即价即价带是是满的，而且不与下的，而且不与下一个全空的能一个全空的能带重重叠叠,如如图所示。所示。结论：绝缘体最上面的价体最上面的价带是是满的，同的，同时和下和下一个空一个空带之之间有几个有几个电子伏特
25、能隙的固体。子伏特能隙的固体。能能带带理理论论光与现光与现代科技代科技（5 5）半导体的能带）半导体的能带注意：半注意：半导体的能体的能带与与绝缘体的能体的能带很相似，只不很相似，只不过价价带和和导带之之间的能隙比的能隙比绝缘体的要小得多。体的要小得多。因此，半因此，半导体是一种体是一种绝缘体，但它体，但它们的价的价带和和导带之之间的能隙的能隙约为1eV或更小。或更小。现在考在考虑这样一种物一种物质，该物物质的最高能的最高能带是是满的，而且不与下一个全空的能的，而且不与下一个全空的能带重叠。重叠。能能带带理理论论光与现光与现代科技代科技 n n 型半导体的能带示意图型半导体的能带示意图实际上，
26、晶体上，晶体总是含有缺陷和是含有缺陷和杂质的，半的，半导体的体的许多特性多特性是由所含的是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半和缺陷决定的。因此半导体分体分为两两类：本征半本征半导体：完全体：完全纯净和和结构完整的半构完整的半导体体杂质半半导体体N型半型半导体体(掺有施主有施主杂质原子，有原子，有额外外的的电子子)P型半型半导体体(掺有受主有受主杂质原子，有原子，有额外外的空穴的空穴)假定取代半假定取代半导体的原子的另一种物体的原子的另一种物质的原子比半的原子比半导体的原子体的原子具有具有较多的价多的价带电子。子。能能带带理理论论光与现光与现代科技代科技相反地，相反地，杂质原子可以比半原子可以比半
27、导体原子具有体原子具有较少的价少的价带电子。子。p p 型半导体的能带示意图型半导体的能带示意图总结：为了使半了使半导体的体的电导率率发生大的生大的变化，化，对于于每一百万个半每一百万个半导体原子，大体原子，大约有一个有一个杂质原子就足原子就足够了，因了，因为杂质的的电离能比禁离能比禁带宽度要小得多，所度要小得多，所以以杂质的种的种类和数量和数量对半半导体的体的导电性能影响很大。性能影响很大。能能带带理理论论理理论论基基础础之之光与现光与现代科技代科技光的光增益光的光增益光学谐振腔光学谐振腔产生激光的条件产生激光的条件激光器激光器3.3.激光的产生与激光器激光的产生与激光器光与现光与现代科技代
28、科技高高高高能能能能级级级级低低低低能能能能级级级级1.原子数按能级分布原子数按能级分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布布布布玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律:ENE2E1N2N1光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技受激吸收受激吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射光子与光子与原子原子分子分子 相互作用相互作用离子离子2.光与物质相互作用光与物质相互作用光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技激光产生原理 物质由原子
29、组成。原子物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原带负电的电子，绕着原子核运动。子核运动。碳原子示意图碳原子示意图 光与现光与现代科技代科技1.自自发吸收：吸收：电子透子透过吸收光子从低能吸收光子从低能阶跃迁到高迁到高能能阶(图 a)。2.自自发辐射：射：电子自子自发地透地透过释放光子从高能放光子从高能阶跃迁到迁到较低能低能阶(图 b)。3.受激受激辐射：射：光子射入物光子射入物质诱发电子从高能子从高能阶跃迁迁到低能到低能阶，并，并释放
30、光子。入射光子与放光子。入射光子与释放的光子有放的光子有相同的波相同的波长和相，此波和相，此波长对应于两个能于两个能阶的能量差。的能量差。一个光子一个光子诱发一个原子一个原子发射一个光子，最后就射一个光子，最后就变成成两个相同的光子两个相同的光子(图 c)。光与现光与现代科技代科技1)受激吸收受激吸收过程程外来光子外来光子:能级能级跃迁跃迁:2.光与物质相互作用光与物质相互作用光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数粒子体系在单位时间粒子体系在单位时间、单位体积内吸收的光子数单位体积内吸收的光子数B12 (21
31、)N1低能级低能级低能级低能级E E1 1 1 1的粒子数密度的粒子数密度的粒子数密度的粒子数密度外来光场中频率外来光场中频率 的能量密度的能量密度W12=B12 (21)受激吸收概率受激吸收概率:光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技2)自自发辐射射过程程高高能能级级上上的的粒粒子子自发地自发地自发地自发地低能级低能级跃迁跃迁跃迁跃迁激活粒子的平均寿命激活粒子的平均寿命:2 2自发辐射概率为自发辐射概率为:光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技 设粒子体系处于能级设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为上的粒子数密度为N2一般激发态粒子寿命一般激发态粒子寿命:某些物质存在亚稳态能级
32、某些物质存在亚稳态能级:单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子数是：数是：A21 N2自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技3)受激受激辐射射过程程趋近高能级趋近高能级趋近高能级趋近高能级E E2 2上的粒子时上的粒子时上的粒子时上的粒子时外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级E E1 1发射一个全同光子发射一个全同光子发射一个全同光子发射一个全同光子(频率相同
33、、频率相同、频率相同、频率相同、传播方向相同、传播方向相同、传播方向相同、传播方向相同、偏振方向相同）偏振方向相同）偏振方向相同）偏振方向相同）光光放放大大光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技B21 (21)N2 在在光场光场 (21)作用下作用下,单位时间、单位体积内受单位时间、单位体积内受激辐射产生的光子数为激辐射产生的光子数为:W21=B21 (21)受激辐射概率受激辐射概率 受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数B21 (21)=B12 (21)跃迁概率相等跃迁概率相等:受激吸收受激吸收 受激辐射受激辐射同时存在同时存在光光的的光光增增
34、益益光与现光与现代科技代科技受激吸收总是占优势受激吸收总是占优势表现为光的吸收表现为光的吸收通常情况下通常情况下：N1 N2B21 (21)N1 B12 (21)N2 粒子数分布反转粒子数分布反转受激辐射占优势受激辐射占优势为得到光放大为得到光放大,必须使必须使N2 N1光光的的光光增增益益视频视频光与现光与现代科技代科技1)实现粒子数反粒子数反转分布的条件分布的条件电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励(A)激励激励(又称泵浦又称泵浦)3.介质对光的增益作用介质对光的增益作用光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技光激励光激励光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技电激
35、励激励光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技(B)合适的能级结构合适的能级结构 二能级系统二能级系统 用光泵的方法不可用光泵的方法不可能实现粒子数反转分布能实现粒子数反转分布光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技 三能级系统三能级系统三能级系统三能级系统 当当当当泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有可能使可能使可能使可能使 ,在能在能在能在能级级级级E E3 3 于于于于E E2 2 间实现粒子间实现粒子间实现粒子间实现粒子数反转。数反转。数反转。数反转。光光的的光光增增益益E3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亚稳态能级亚
36、稳态能级光与现光与现代科技代科技在在 E2 和和E1 能级能级间也有可能实现间也有可能实现粒子数反转。粒子数反转。亚稳态能级亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N光与现光与现代科技代科技红宝石激光器的工作物质：红宝石红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（是掺有少量铬离子（Cr3+)的的（Al2O3)晶体。晶体。采用光激励方法：采用光激励方法：受激和发光都在受激和发光都在Cr3+上上进行，进行，是典型的三能是典型的三能级系统级系统。光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技 四能级系统四能级系统 比三能级系统容易实比三能级系统容易实现粒子数反转分布。
37、现粒子数反转分布。光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技 氦氖气体激光器是四能级系统氦氖气体激光器是四能级系统氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布光光的的光光增增益益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电电子子碰碰撞撞激激发发电电子子碰激激发发管管壁壁效效应应自发辐射自发辐射632.8nm共共振振转转移移光与现光与现代科技代科技zdz增益介质增益介质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质2)介介质的增益作用的增益作用zdI(z)z z+dzL通过增益介质后通过增益介质后,光强随距离增长光强随距
38、离增长介质对光的增益系数介质对光的增益系数光光的的光光增增益益光与现光与现代科技代科技一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔。1.光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用光光学学谐谐振振腔腔激光在两反射镜间形成激光在两反射镜间形成驻波驻波。谐振条件为：。谐振条件为：2nL=q =q c 2nL L:腔长腔长 n:气体折射率气体折射率光与现光与现代科技代科技振荡模式振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用的光波基本形式，用TEMmnq表示。表示。m和和n表征该模式在垂直于腔轴内形成表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数驻波的节点数,
39、称称横模数横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称点数，称纵模数纵模数。1.纵模模能引起振荡的频率关系能引起振荡的频率关系2.横模横模光场在横向不同的稳定分布。光场在横向不同的稳定分布。光光学学谐谐振振腔腔光与现光与现代科技代科技IxyITEM00横模横模IyIxTEM10yIIxTEM11光光学学谐谐振振腔腔光与现光与现代科技代科技(1)要有适当的激光工作物质要有适当的激光工作物质(2)要有外界激励源要有外界激励源(3)要有激光谐振腔要有激光谐振腔激光形成的基本条件激光形成的基本条件1.激光形成的基本条件激光形成的基本条件产产生生激激光光的的条条
40、件件光与现光与现代科技代科技2.激光形成的激光形成的阈值条件条件光在谐振腔内受到各种光在谐振腔内受到各种损耗损耗:(1)反射镜的透射损耗反射镜的透射损耗(2)谐振腔的内部损耗谐振腔的内部损耗I3I1I0rr12内内I4I2光在腔内往返一次光在腔内往返一次不会被衰减的条件，不会被衰减的条件，即即形成激光振荡的形成激光振荡的阈值条件：阈值条件：内内阈阈内内产产生生激激光光的的条条件件光与现光与现代科技代科技产产生生激激光光的的条条件件由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：(1)工作物质在激励能源激励下实现工作物质在激励能源激励下实现粒子粒子 数反转数反转(2)由自
41、发辐射产生的少数沿腔轴方向传由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 播的光子在工作物质中引起播的光子在工作物质中引起受激辐射受激辐射(3)光学光学谐振腔谐振腔使受激辐射的光子在腔内使受激辐射的光子在腔内 往返振荡，不断得到往返振荡，不断得到放大放大(4)满足阈值条件下满足阈值条件下形成激光形成激光光与现光与现代科技代科技1.激光器的激光器的结构构谐振腔振腔工作物工作物工作物工作物质质激励系激励系激励系激励系统统激激光光器器光与现光与现代科技代科技激光器的结构一台激光器是由一台激光器是由一台激光器是由一台激光器是由工作物质工作物质工作物质工作物质、泵浦源泵浦源泵浦源泵浦源和和和和谐振腔谐振腔谐振腔谐振
42、腔组成组成组成组成 光与现光与现代科技代科技工作物工作物质：工作物工作物质具有一定的能具有一定的能级结构，用来构，用来实现粒子数反粒子数反转。不同的激光器工作物。不同的激光器工作物质不同。不同。泵浦源：浦源：为了使工作介了使工作介质中出中出现粒子数反粒子数反转，必，必须用一定的方法去激励原子体系，使用一定的方法去激励原子体系，使处于上能于上能级的粒的粒子数增加。一般可以用气体放子数增加。一般可以用气体放电的的办法来利用具有法来利用具有动能的能的电子去激子去激发介介质原子，称原子，称为电激励；也可用激励；也可用脉冲光源来照射工作介脉冲光源来照射工作介质，称，称为光激励；光激励；还有有热激激励、化
43、学激励等。各种激励方式被形象化地称励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。浦或抽运。为了不断得到激光了不断得到激光输出，必出，必须不断地不断地“泵浦浦”以以维持持处于上能于上能级的粒子数比下能的粒子数比下能级多。多。谐振腔振腔 光与现光与现代科技代科技谐振腔光学光学谐振腔振腔结构：构：在工作物质的两端安置两面互相平行的反射在工作物质的两端安置两面互相平行的反射镜，其中一面是全反射镜，另一面是部分反镜，其中一面是全反射镜，另一面是部分反射镜，这两面反射镜及它们之间的空间称为射镜，这两面反射镜及它们之间的空间称为光学谐振腔。光学谐振腔。光与现光与现代科技代科技光学光学谐振腔其作用：振
44、腔其作用：（1）产生和维持光）产生和维持光振荡振荡（2）确定激光方向）确定激光方向（3）选频）选频（4）选偏振）选偏振光与现光与现代科技代科技2.3 激光器的分类激光器的分类激光器的分类激光器的分类激励方式激励方式工作物质工作物质工作方式工作方式输出波长输出波长输出频率特性输出频率特性光与现光与现代科技代科技2.3 激光器的分类激光器的分类按工作物按工作物质分分类：固体（包括晶体和玻璃）固体（包括晶体和玻璃）固体（包括晶体和玻璃）固体（包括晶体和玻璃）气体（包括原子、离子、分子、准分子）气体（包括原子、离子、分子、准分子）气体（包括原子、离子、分子、准分子）气体（包括原子、离子、分子、准分子）
45、液体（包括聚合物、无机液体和有机染料）液体（包括聚合物、无机液体和有机染料）液体（包括聚合物、无机液体和有机染料）液体（包括聚合物、无机液体和有机染料）半半半半导导体体体体按波段范按波段范围分分类：紫外、可紫外、可见光、光、红外外按按泵浦源分浦源分类：电泵浦、浦、热泵浦、光浦、光泵浦、浦、化学化学泵浦、核浦、核泵浦、太阳浦、太阳泵浦等浦等按激光按激光输出特性分出特性分类：单横模、多横模、横模、多横模、单纵模、多模、多纵模等模等光与现光与现代科技代科技2.3 激光器的分类激光器的分类按工作方式分按工作方式分类：脉冲波、：脉冲波、连续波波（辐射光脉冲在射光脉冲在时间上是否上是否连续）按光学按光学谐
46、振腔的振腔的设置分置分类：非：非稳定腔、定腔、共焦腔、平面腔及配有共焦腔、平面腔及配有调Q装置或装置或锁模模装置装置按可按可调性分性分类：波：波长可可调谐、波、波长不不可可调谐光与现光与现代科技代科技其他激光器其他激光器自由自由电子激光器子激光器x射射线激光器激光器准分子激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。激光技激光技术与工程的迅速与工程的迅速发展及其深刻影响展及其深刻影响铜蒸气激光蒸气激光光与现光与现代科技代科技固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器1.按工作物按工作物质分分类激激光光器器光与现光与现代科技代科技工作物工作物质-
47、各种各种掺杂离子型离子型绝缘晶体或玻璃体晶体或玻璃体最常最常见的有的有红宝石、宝石、钕玻璃、玻璃、掺钕钇铝石榴石等石榴石等3种。种。一般小而一般小而坚固，脉冲固，脉冲辐射功率射功率较高，高，应用范用范围较广泛。广泛。固体激光器中常用的固体激光器中常用的还有有钇铝石榴石石榴石(Nd:YAG)激光器，激光器，Nd（钕）是一种稀土族元素，）是一种稀土族元素，YAG代表代表钇铝石榴石，它的石榴石，它的工作物工作物质是氧化是氧化铝和氧化和氧化钇合成的晶体，并合成的晶体，并掺有氧化有氧化钕。晶体晶体结构与构与红宝石相似。宝石相似。激光是由晶体中的激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不离子放出，是人眼看不见
48、的的红外光，外光，可以可以连续工作，也可以脉冲方式工作。工作，也可以脉冲方式工作。（1）固体激光器 光与现光与现代科技代科技掺钕钇铝石榴石石榴石 Nd:YAG 1064nm近年来，研制出近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器宝石激光器670nm1100nm固体激光器常用于固体激光器常用于产生生强激光，激光，连续输出出几千几千瓦瓦,脉冲脉冲输出出几万焦耳几万焦耳1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，激光加工，切割，打孔，焊接等接等1540nm2940nm:医学和通信医学和通信由于由于这种激光器种激光器输出功率比出功率比较大，不大，不仅在在军事上有事上有用，也可广泛用于工用，也可广泛用于
49、工业上。此外，上。此外，钇铝石榴石激光石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器，器或液体激光器中的染料激光器，对治治疗白内障和白内障和青光眼十分有效。青光眼十分有效。光与现光与现代科技代科技固体激光器固体激光器光与现光与现代科技代科技 在石英或玻璃光在石英或玻璃光纤中中掺入稀土离入稀土离子，用半子，用半导体二极管或其他固体激光体二极管或其他固体激光器作器作泵辅源也可源也可产生可生可调谐激光。用激光。用掺铒光光纤作成的光作成的光纤激光器，是光激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。通信中不可缺少的部分。掺铒光光纤激光器激光器光与现光与现代科技代科技（2 2）气体激光器）气体激光器工作物质：原子气体、分
50、子气体和离子气体工作物质：原子气体、分子气体和离子气体工作物质：原子气体、分子气体和离子气体工作物质：原子气体、分子气体和离子气体氦氦氖激光器激光器氩离子激光器离子激光器应用最广泛，大多数可连续工作，输出的激光波长有数应用最广泛，大多数可连续工作，输出的激光波长有数应用最广泛，大多数可连续工作，输出的激光波长有数应用最广泛，大多数可连续工作，输出的激光波长有数千种，分布在从千种，分布在从千种，分布在从千种，分布在从m m m m真空紫外至真空紫外至真空紫外至真空紫外至4 4 4 4m m m m远红外波段内。远红外波段内。远红外波段内。远红外波段内。常见的气体激光器有：氦氖激光器、氩离子激光器