1、第一章第一章 激光原理概論激光原理概論任課教師：左青卉任課教師：左青卉光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)基礎(chǔ)本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束激光原理概論激光原理概論相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源各種小型光源發(fā)光二極管（信息處理用光源發(fā)光二極管顯示器場致發(fā)光液晶顯示器熒光顯示器等離子體管陰極射線管顯示光源燈）本征場致發(fā)光燈（固體白熾燈氣體放電燈、熒光燈照明光源非相干光源激光的和頻與差頻激光產(chǎn)生高次諧波光參量振蕩非線性光學(xué)器件子體體

2、激光器激光相干光源器件源光LED)()(激光器等離半導(dǎo)染料激光器固體激光器氣體激光器LEDEL光源器件光源器件主要是指電光變換器件，分成主要是指電光變換器件，分成相干光源相干光源和和非相干光源非相干光源光源器件的分類光源器件的分類各種小型光源發(fā)光二極管（信息處理用光源發(fā)光二極管顯示器場致發(fā)光液晶顯示器熒光顯示器等離子體管陰極射線管顯示光源燈）本征場致發(fā)光燈（固體白熾燈氣體放電燈、熒光燈照明光源非相干光源激光的和頻與差頻激光產(chǎn)生高次諧波光參量振蕩非線性光學(xué)器件子體體激光器激光相干光源器件源光LED)()(激光器等離半導(dǎo)染料激光器固體激光器氣體激光器LEDEL著重由電轉(zhuǎn)換成光的能著重由電轉(zhuǎn)換成光的

3、能量轉(zhuǎn)換效率和顏色量轉(zhuǎn)換效率和顏色著重顯示圖象的清晰度、著重顯示圖象的清晰度、對比度、色彩飽和度等對比度、色彩飽和度等著重光的單色著重光的單色性和高速脈沖性和高速脈沖性性激光原理概論激光原理概論非相干光非相干光相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源來源來源原子或分子體系的自發(fā)輻射原子或分子體系的自發(fā)輻射特點(diǎn)特點(diǎn)各原子自發(fā)輻射的光波方向、頻率及相位等都是不確定各原子自發(fā)輻射的光波方向、頻率及相位等都是不確定的、分散的的、分散的雜亂無章的噪聲光雜亂無章的噪聲光傳輸衰減，即出射光強(qiáng)恒小于入射光強(qiáng)傳輸衰減，即出射光強(qiáng)恒小于入射光強(qiáng)方向：四面八方無規(guī)則輻射方向：四面八方無規(guī)則輻射頻譜：如同火花放電，是

4、白噪聲頻譜：如同火花放電，是白噪聲連續(xù)性：無數(shù)衰減脈沖光的集合連續(xù)性：無數(shù)衰減脈沖光的集合( (圖圖(a)(a)強(qiáng)度：光波亮度很低強(qiáng)度：光波亮度很低非相干光非相干光相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源(a)(a)普通光源產(chǎn)生的非相干光普通光源產(chǎn)生的非相干光（與人為形成且相位一致的電波相比）（與人為形成且相位一致的電波相比）非相干光源非相干光源相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源 18781878年年1212月，英國月，英國 斯萬（斯萬（SwanSwan）發(fā)明電燈泡。）發(fā)明電燈泡。 18791879年年1010月，美國月，美國 愛迪生（愛迪生（EdisonEdison）質(zhì)量更好的電燈泡。

5、）質(zhì)量更好的電燈泡。 19381938年，美國年，美國 紐曼（紐曼（NeumanNeuman）等）等 研制成熒光燈研制成熒光燈 目前目前, , 呈現(xiàn)固體燈取代熒光燈的趨勢。呈現(xiàn)固體燈取代熒光燈的趨勢。 固體燈：利用超高亮度白光二極管或其他場致發(fā)光管制作固體燈：利用超高亮度白光二極管或其他場致發(fā)光管制作 優(yōu)點(diǎn)：體積小、轉(zhuǎn)換效率高、耗電省、加壓低優(yōu)點(diǎn)：體積小、轉(zhuǎn)換效率高、耗電省、加壓低 應(yīng)用：已有交通燈、路標(biāo)、宣傳、廣告牌、家用燈等應(yīng)用：已有交通燈、路標(biāo)、宣傳、廣告牌、家用燈等相干光源相干光源相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源相干光源相干光源能夠在時間、空間上相位同步的光波（即無限連續(xù)光波）

6、能夠在時間、空間上相位同步的光波（即無限連續(xù)光波）形成的光源。形成的光源。分類分類包括激光器和由激光與非線性光學(xué)材料相互作用而產(chǎn)包括激光器和由激光與非線性光學(xué)材料相互作用而產(chǎn)生的各種新的相干光（如高次諧波、和頻波、差頻波、生的各種新的相干光（如高次諧波、和頻波、差頻波、光參量振蕩、受激拉曼散射等）光源。光參量振蕩、受激拉曼散射等）光源。相干光源相干光源相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源特點(diǎn)特點(diǎn)非線性光非線性光激光器激光器方向：發(fā)散很小方向：發(fā)散很小頻譜：單一頻譜：單一連續(xù)性：無限連續(xù)連續(xù)性：無限連續(xù)亮度：極高亮度：極高在時間、空間上相位同步在時間、空間上相位同步傳輸增益，出射光強(qiáng)增強(qiáng)傳輸

7、增益，出射光強(qiáng)增強(qiáng)(b)(b)激光器發(fā)射的相干光激光器發(fā)射的相干光相干光源相干光源相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源激光激光其一是指器件本身，稱作激光器；其二是指這種器件所產(chǎn)生的光。其一是指器件本身，稱作激光器；其二是指這種器件所產(chǎn)生的光。激光是一種能夠產(chǎn)生或放大電磁波譜中包括紅外、可見和紫外相干激光是一種能夠產(chǎn)生或放大電磁波譜中包括紅外、可見和紫外相干輻射的器件以及所發(fā)出的光。輻射的器件以及所發(fā)出的光。Laser- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)單色亮度高單色亮度高出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng)出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射

8、光強(qiáng)相位整齊相位整齊方向性好方向性好強(qiáng)度高強(qiáng)度高特點(diǎn)特點(diǎn)相干光源相干光源相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源19601960年，美國年，美國 梅曼梅曼( (T.H.Maiman) ) 紅寶石激光器問世（波長紅寶石激光器問世（波長694.3nm）19601960年秋，美國年秋，美國 JavanJavan等等 1.151.15 m m連續(xù)振蕩連續(xù)振蕩He-NeHe-Ne氣體激光器。氣體激光器。19621962年，美國年，美國 NathanNathan、HallHall和和Quist 77K GaAsQuist 77K GaAs半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器。19661966年，年，Sorokin

9、Sorokin 等等 激光泵浦羅丹明激光泵浦羅丹明6G6G可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。19661966年，美國年，美國 DimmockDimmock、BulterBulter、MelngailisMelngailis等等 低溫工作窄帶半導(dǎo)體近低溫工作窄帶半導(dǎo)體近 紅外可調(diào)諧激光器。紅外可調(diào)諧激光器。19701970年，美國年，美國 LinLin等等 雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。19801980年后，等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反年后，等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反 饋饋(DFB)(DFB)激

10、光器、分布布拉格發(fā)射激光器、分布布拉格發(fā)射(DBR)(DBR)激光器、超快激光器激光器、超快激光器 相干光源相干光源相干光源與非相干光源相干光源與非相干光源波長：紫外、可見、紅外波長：紫外、可見、紅外峰值功率：峰值功率：100TW量級量級最高平均功率：最高平均功率：MW量級量級調(diào)諧范圍：從調(diào)諧范圍：從200nm延伸到延伸到4 m。信息光電子技術(shù)對光源的要求信息光電子技術(shù)對光源的要求單色性單色性高速脈沖性高速脈沖性方向性方向性可調(diào)諧性可調(diào)諧性高能量密度高能量密度激光正是滿足這些條件的最好的光源激光正是滿足這些條件的最好的光源!目前激光領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀目前激光領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀返回返回激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)

11、激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光原理概論激光原理概論光與物質(zhì)之間的共振相互作用是激光器發(fā)光的物質(zhì)基礎(chǔ)。光與物質(zhì)之間的共振相互作用是激光器發(fā)光的物質(zhì)基礎(chǔ)。黑體輻射的普朗克公式黑體輻射的普朗克公式自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系黑體輻射的普朗克公式黑體輻射的普朗克公式激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)熱輻射熱輻射由于物體中的分子或原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。由于物體中的分子或原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。黑體黑體能夠完全吸收任何波長的電磁輻射的物體。能夠完全吸收任何波長的電磁輻射的物體。黑體輻射模型黑體輻射模型在實(shí)驗(yàn)室中，把

12、一個內(nèi)部挖有封閉空腔的物體，在壁上開一個小在實(shí)驗(yàn)室中，把一個內(nèi)部挖有封閉空腔的物體，在壁上開一個小孔，當(dāng)該物體加熱到一定溫度后，空腔內(nèi)部表面的熱輻射在腔內(nèi)來孔，當(dāng)該物體加熱到一定溫度后，空腔內(nèi)部表面的熱輻射在腔內(nèi)來回發(fā)射形成一個穩(wěn)定的輻射場。空腔輻射體可近似看成是一種理想回發(fā)射形成一個穩(wěn)定的輻射場。空腔輻射體可近似看成是一種理想的黑體。的黑體。單色能量密度，指在單位體積單色能量密度，指在單位體積V V內(nèi)處于頻率內(nèi)處于頻率 處單位頻率間隔內(nèi)的處單位頻率間隔內(nèi)的電磁輻射能量電磁輻射能量E E。實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)證明 的大小的大小 與和溫度與和溫度T T有關(guān)。有關(guān)。黑體輻射的普朗克公式黑體輻射的普朗克公

13、式vuvuhvE 激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)黑體輻射大小黑體輻射大小普朗克能量量子化假說普朗克能量量子化假說其中其中 為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)， 為振動頻率。為振動頻率。hvv普朗克認(rèn)為，原子中運(yùn)動的電子可以視為一維的諧振子，它所吸收普朗克認(rèn)為，原子中運(yùn)動的電子可以視為一維的諧振子，它所吸收或發(fā)射的電磁輻射能量不能連續(xù)化，只能以與振子的振動頻率成正或發(fā)射的電磁輻射能量不能連續(xù)化，只能以與振子的振動頻率成正比的能量作為基元，取它的整數(shù)倍。能量大小為：比的能量作為基元，取它的整數(shù)倍。能量大小為：dVdvdEuv（1）（2）v黑體輻射的普朗克公式黑體輻射的普朗克公式1kThvehvE32

14、8cvVdvMmv激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式上的平均能量黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式上的平均能量根據(jù)波爾茲曼的統(tǒng)計規(guī)律，可得到根據(jù)波爾茲曼的統(tǒng)計規(guī)律，可得到式中式中k為波爾茲曼常數(shù)，值為為波爾茲曼常數(shù)，值為1.381023J/。（3）腔內(nèi)單位體積處于頻率腔內(nèi)單位體積處于頻率 處的單位頻率間隔處的光波模式數(shù)為處的單位頻率間隔處的光波模式數(shù)為單色模式密度單色模式密度（4）v黑體輻射的普朗克公式黑體輻射的普朗克公式激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)黑體輻射的單色能量密度黑體輻射的單色能量密度11833kThvvvechvmEu（5）（5）式即為黑體輻射的普朗克公式

15、。）式即為黑體輻射的普朗克公式。激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收躍遷躍遷當(dāng)原子從某一能級吸收了能量或釋放了能量，轉(zhuǎn)移到另一個能級的過程當(dāng)原子從某一能級吸收了能量或釋放了能量，轉(zhuǎn)移到另一個能級的過程吸收躍遷吸收躍遷凡是吸收能量后從低能級到高能級的躍遷稱為吸收躍遷。凡是吸收能量后從低能級到高能級的躍遷稱為吸收躍遷。輻射躍遷輻射躍遷釋放能量后從高能級到低能級的躍遷。釋放能量后從高能級到低能級的躍遷。如果吸收和釋放的能量都是光能，則躍遷時吸收或釋放的如果吸收和釋放的能量都是光能，則躍遷時吸收或釋放的能量可表示為：能量可表示為：hvEE12自發(fā)

16、輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)1916年，愛因斯坦年，愛因斯坦關(guān)于輻射的量子理論關(guān)于輻射的量子理論中，中，提出光量子與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生自發(fā)輻射提出光量子與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生自發(fā)輻射(spontaneous emission) 、受激吸收受激吸收(stimulated absorption)與受激輻射與受激輻射(stimulated emission)三種三種躍遷。原子或分子的能量狀態(tài)只能取分立數(shù)值，能量最低的狀態(tài)稱基躍遷。原子或分子的能量狀態(tài)只能取分立數(shù)值，能量最低的狀態(tài)稱基態(tài)，能量比基態(tài)高的狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)。態(tài)，能量比基態(tài)高的狀態(tài)稱激發(fā)

17、態(tài)。我們來研究一個二能級系統(tǒng)，我們來研究一個二能級系統(tǒng)，E1能級表示基態(tài)，能級表示基態(tài)，E2能級表示激發(fā)態(tài)，能級表示激發(fā)態(tài)，設(shè)設(shè)E1、E2之間滿足輻射躍遷的選擇定則，則在之間滿足輻射躍遷的選擇定則，則在E1、E2之間發(fā)生三種躍之間發(fā)生三種躍遷過程。遷過程。式中，式中，h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)， 躍遷產(chǎn)生的光波頻率。躍遷產(chǎn)生的光波頻率。自發(fā)輻射自發(fā)輻射1221EEh自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收在沒有光信號作用下自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時所產(chǎn)生的光輻射在沒有光信號作用下自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時所產(chǎn)生的光輻射位于位于E2能級的原子不穩(wěn)定，即使無外界光信號作用，也將在某一時刻自能級的

18、原子不穩(wěn)定，即使無外界光信號作用，也將在某一時刻自發(fā)躍遷到發(fā)躍遷到E1，同時輻射出一個光子：，同時輻射出一個光子：21單個原子自發(fā)輻射是隨機(jī)的，具有時間不確定性；單個原子自發(fā)輻射是隨機(jī)的，具有時間不確定性；擁有大量原子的體系單位時間內(nèi)擁有大量原子的體系單位時間內(nèi)E2E1的原子數(shù)目統(tǒng)計結(jié)果是可以確定的。的原子數(shù)目統(tǒng)計結(jié)果是可以確定的。自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷幾率（A21）單位時間內(nèi)自發(fā)躍遷的原子數(shù)密度與單位時間內(nèi)自發(fā)躍遷的原子數(shù)密度與E2上總原子數(shù)密度之比上總原子數(shù)密度之比221211ndtdnAsp代表每個原子在單位時間內(nèi)代表每個原子在單位時間內(nèi)E2E1能級的自發(fā)輻射幾率，又稱自發(fā)輻能級的自發(fā)輻

19、射幾率，又稱自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)。射愛因斯坦系數(shù)。自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收A21完全由原子系統(tǒng)的兩特定能級特性決定，與外界信號無關(guān)，一定原完全由原子系統(tǒng)的兩特定能級特性決定，與外界信號無關(guān)，一定原子的特定能級子的特定能級A21是定值；各原子自發(fā)躍遷中彼此無關(guān)，不同原子產(chǎn)生是定值；各原子自發(fā)躍遷中彼此無關(guān)，不同原子產(chǎn)生的自發(fā)輻射光的方向、位相、偏振狀態(tài)無確定關(guān)系。的自發(fā)輻射光的方向、位相、偏振狀態(tài)無確定關(guān)系。自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射單位時間、單位體積內(nèi)，單位時間、單位體積內(nèi)，E2上減少的粒子數(shù)為：上減

20、少的粒子數(shù)為：)(221212tnAdtdndtdnspttAnntnexp)0(exp)0()(22221于是于是式中，式中， 為時為時E2能級上的初始原子數(shù)。能級上的初始原子數(shù)。)0(2n211A自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收由由E2E1自發(fā)躍遷決定的粒子在能級自發(fā)躍遷決定的粒子在能級E2上的自發(fā)輻射壽命，定義為粒子上的自發(fā)輻射壽命，定義為粒子數(shù)密度由數(shù)密度由t=0時的時的n(0)衰減到它的衰減到它的1/e時所用時間為時所用時間為E2 能級的平均壽命能級的平均壽命 。越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留時間越長，無窮大時，稱上逗留時間越長，無

21、窮大時，稱E2為穩(wěn)態(tài)，為穩(wěn)態(tài)， 為為較長的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。較長的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。由上式可得：由上式可得：受激吸收受激吸收112121ndtdnWst自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收低能級原子從外界光信號中吸收一份能量后躍遷到激發(fā)態(tài)的過程低能級原子從外界光信號中吸收一份能量后躍遷到激發(fā)態(tài)的過程受激吸收幾率受激吸收幾率W12由于受激吸收，單位時間從由于受激吸收，單位時間從E1能級躍遷到能級躍遷到 E2 能級的原子數(shù)密度與能級的原子數(shù)密度與E1能能級原子數(shù)密度級原子數(shù)密度n1的比值的比值vuW12由輻射引起，不僅與粒子本身性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場能量密度由輻射引起，不僅與粒子本身

22、性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場能量密度 有有關(guān)，即關(guān)，即vuBW1212B12稱為愛因斯坦吸收系數(shù)，僅與粒子本身性質(zhì)有關(guān)。稱為愛因斯坦吸收系數(shù)，僅與粒子本身性質(zhì)有關(guān)。受激輻射受激輻射自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收E2上原子在頻率上原子在頻率 21=（E2-E1）/h 的外界光作用下躍遷到的外界光作用下躍遷到E1，同時輻，同時輻射出能量為射出能量為E2 -E1 ，且與外界光信號同一狀態(tài)的光子，這兩個光子再，且與外界光信號同一狀態(tài)的光子，這兩個光子再去誘發(fā)產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個入射光子作用下，去誘發(fā)產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個入射光子作用下，就可以產(chǎn)生大量運(yùn)動

23、狀態(tài)相同的光子，這一發(fā)射過程稱為受激發(fā)射就可以產(chǎn)生大量運(yùn)動狀態(tài)相同的光子，這一發(fā)射過程稱為受激發(fā)射 。受激輻射受激輻射221211ndtdnWst自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收受激發(fā)射幾率受激發(fā)射幾率W21在頻率在頻率 21=（ E2 -E1 ）/h 的外界光信號作用下，單位時間內(nèi)從的外界光信號作用下，單位時間內(nèi)從E2 躍遷躍遷到到E1的原子數(shù)密度與的原子數(shù)密度與n2 之比：之比：不僅與原子特定能級躍遷機(jī)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，還與入射光信號的強(qiáng)度有關(guān)。不僅與原子特定能級躍遷機(jī)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，還與入射光信號的強(qiáng)度有關(guān)。vuBW2121uv頻率為頻率為 21 的入射光波的能量密度的入射

24、光波的能量密度;B21愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)，僅與原愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)，僅與原子特定的能級躍遷性質(zhì)有關(guān)。受激發(fā)射光子與外界信號光子傳播方向、子特定的能級躍遷性質(zhì)有關(guān)。受激發(fā)射光子與外界信號光子傳播方向、振蕩頻率、偏振方向及相位都相同振蕩頻率、偏振方向及相位都相同愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)大量粒子構(gòu)成的粒子體系大量粒子構(gòu)成的粒子體系(如原子或分子等如原子或分子等)中，三種躍遷同時存在。中，三種躍遷同時存在。E2自發(fā)輻射的能量自發(fā)輻射的能量E2-E1 的光子，對其它粒子而言可視為外來入射光，的光子，對其它粒子而言可視為外來入射光，使使E1上粒子發(fā)生受激吸收，使上粒

25、子發(fā)生受激吸收，使E2上粒子發(fā)生受激輻射，三種過程相互上粒子發(fā)生受激輻射，三種過程相互聯(lián)系，相互聯(lián)系可由表示原子特定能級聯(lián)系，相互聯(lián)系可由表示原子特定能級E1和和E2特性的參數(shù)特性的參數(shù)A21、B21和和B12來表示。來表示。設(shè)一原子系統(tǒng)兩特定能級設(shè)一原子系統(tǒng)兩特定能級E1和和E2簡并度分別為簡并度分別為g1和和g2，在溫度，在溫度T處于熱處于熱平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)， E1和和E2能級原子數(shù)密度分別為能級原子數(shù)密度分別為n1和和n2 ，則原子系統(tǒng)從吸收能量則原子系統(tǒng)從吸收能量E2-E1后，單位時間內(nèi)從后，單位時間內(nèi)從E1 躍遷到躍遷到E2 能級能級的原子數(shù)為：的原子數(shù)為：處于處于E2上的原子，單

26、位時間通過自發(fā)輻射與受激輻射躍遷至上的原子，單位時間通過自發(fā)輻射與受激輻射躍遷至E1上上的原子數(shù)為：的原子數(shù)為：由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有以下關(guān)系式成立：由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有以下關(guān)系式成立：愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系11212nuBnv2212121nBuAnv激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)2112nn愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)即：即： 22121112nBuAnBuvv因而有：因而有： 21211212BuABunnvvkThkTEEgngn21121122expexp又由于在熱平衡狀態(tài)下，又由于在熱平衡狀態(tài)下， 、 按照玻爾茲曼分布：按照

27、玻爾茲曼分布： 1n2n式中，式中，k為玻爾茲曼常數(shù)。為玻爾茲曼常數(shù)。愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系1exp1212211122121kThgBgBBAuv激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)在熱平衡條件下，光輻射的能量密度在熱平衡條件下，光輻射的能量密度 uv 又可由普朗克公式給出：又可由普朗克公式給出：于是有：于是有：1exp18213321kThchuv式中式中c為真空中光速，于是比較兩式，為真空中光速，于是比較兩式，愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)221112gBgB332121218chBA此兩式即為著名的愛因斯坦關(guān)系式。此兩式即為著名的愛因斯坦關(guān)系式。BBB2

28、112332121218chBA可知：可知：若若 、 兩能級簡并度相等，即兩能級簡并度相等，即 ，則愛因斯坦關(guān)系式可簡化為：，則愛因斯坦關(guān)系式可簡化為： 1E2E21gg 1E對一定原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù)對一定原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù)A21與受激輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)B21之比正比于之比正比于頻率頻率 的三次方，因而的三次方，因而 與與 能級差越大，能級差越大， 就越高，就越高，A21與與B21的的比值就越大，也就是說比值就越大，也就是說 越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難。一般地，越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難。一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。在熱平衡條件下，

29、受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。211E2E21211E愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)至此可以看出：至此可以看出： 、 、 三個愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的三個愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，決不是相互孤立無關(guān)的。聯(lián)系，決不是相互孤立無關(guān)的。21A12B21B激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（2）減少模式振蕩數(shù)）減少模式振蕩數(shù)激光產(chǎn)生的充分條件激光產(chǎn)生的充分條件（1）起振條件）起振條件-閾值條件閾值

30、條件（2）穩(wěn)定振蕩條件）穩(wěn)定振蕩條件增益飽和效應(yīng)增益飽和效應(yīng)t 時刻，頻率時刻，頻率 、能量密度、能量密度 的光束射入二能級系統(tǒng)。的光束射入二能級系統(tǒng)。引起受激吸收引起受激吸收+受激發(fā)射。受激發(fā)射。 內(nèi)，內(nèi)，因受激吸收而減少的光能量密度：因受激吸收而減少的光能量密度：hEE1221)(21dtttdthBNd2121121211)()(因受激發(fā)射而增加的光能：因受激發(fā)射而增加的光能：dthBNd2121212212)()(能量密度總變化量：能量密度總變化量：dthBNBNd212112121221)()(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法將愛因斯坦關(guān)系

31、式代入得：將愛因斯坦關(guān)系式代入得：dthBggNgNd2121212112221)()()(0，光放大0，光衰減正負(fù)由（N2/g2-N1/g1）定粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布0)(2121212dthBg221112gBgB332121218chBA愛因斯坦關(guān)系式愛因斯坦關(guān)系式:激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法(1) 粒子數(shù)正常分布粒子數(shù)正常分布2211gNgN ，光束能量密度不斷地減少。，光束能量密度不斷地減少。一般情況下介質(zhì)中的粒子數(shù)總呈正常分布。如物體處于熱平衡時，有：一般情況下介質(zhì)中的粒子數(shù)總呈正常分布。如物體處于熱平衡時，有：0)(21d)exp(121212kTEE

32、ggNN非平衡態(tài)粒子分布也是正常分布狀態(tài)。非平衡態(tài)粒子分布也是正常分布狀態(tài)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法 能級由能級由 個重疊在一起的能級組成，個重疊在一起的能級組成， 能級由能級由 個重疊在一起的能級組成，個重疊在一起的能級組成， 與與 分別表示分別表示 和和 中的中的“一個一個”能級上的粒子數(shù)；能級上的粒子數(shù)；正常分布正常分布E1的一個能級上的粒子數(shù)大于的一個能級上的粒子數(shù)大于E2的一個能級上的粒子數(shù)。的一個能級上的粒子數(shù)。1E1g2E2g11gN22gN1E2E粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法(2

33、)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布1122gNgN ，光能密度不斷增加。處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)，光能密度不斷增加。處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)-激活介質(zhì)。激活介質(zhì)。0)(21d粒子在能級上的分布上多下少。為此泵浦源將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)。粒子在能級上的分布上多下少。為此泵浦源將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)。通過泵浦源的泵浦工作，可使某些具有特殊能級結(jié)構(gòu)的介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，通過泵浦源的泵浦工作，可使某些具有特殊能級結(jié)構(gòu)的介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，形成激活介質(zhì)。形成激活介質(zhì)。泵浦源是形成激光器的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。泵浦源是形成激光器的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。光射入激活介質(zhì)時，光射入激活介質(zhì)時， ，入射光能密度通過激活介

34、質(zhì)后被，入射光能密度通過激活介質(zhì)后被“放大放大”了，了，故激活介質(zhì)如同一個故激活介質(zhì)如同一個“光放大器光放大器”，光的受激發(fā)射在激活介質(zhì)中占了主導(dǎo)地位。，光的受激發(fā)射在激活介質(zhì)中占了主導(dǎo)地位。在工作物質(zhì)中建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是形成激光的必要條件。在工作物質(zhì)中建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是形成激光的必要條件。0)(21d粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光：高能、方向性很好、單色性很好激光：高能、方向性很好、單色性很好受激發(fā)射：受激發(fā)射： 方向發(fā)散，傳輸距離有限方向發(fā)散，傳輸距離有限強(qiáng)度難以很大強(qiáng)度難以很大 模式多樣，攜帶各自能量模式多樣，攜帶各自能量單色

35、亮度難以很強(qiáng)。單色亮度難以很強(qiáng)。解決辦法：解決辦法： 開放式光學(xué)諧振腔，激活介質(zhì)開放式光學(xué)諧振腔，激活介質(zhì)+一對相向平行反射鏡（一對相向平行反射鏡（ ， ）11R12R減少模式振蕩數(shù)減少模式振蕩數(shù)激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法諧振腔軸向光束諧振腔軸向光束來回反射，某一方向得到放大來回反射，某一方向得到放大形成激光振蕩，輸出強(qiáng)度高形成激光振蕩，輸出強(qiáng)度高滿足干涉相長條件的光得到加強(qiáng)，頻率得到篩選滿足干涉相長條件的光得到加強(qiáng)，頻率得到篩選模式數(shù)目減少模式數(shù)目減少偏軸角較大光束偏軸角較大光束由側(cè)面逸出激活介質(zhì)，不能形成激光振蕩。由側(cè)面逸出激活介質(zhì)，不能形成激光振蕩。(a)激活介質(zhì)中

36、的光放大激活介質(zhì)中的光放大 (b) 諧振腔中光的振蕩諧振腔中光的振蕩 減少模式振蕩數(shù)減少模式振蕩數(shù)激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法增益：受激放大增益：受激放大損失：鏡面透射損失（損失：鏡面透射損失（ ），鏡面和腔內(nèi)激活介質(zhì)存在著吸收、散射等損失，），鏡面和腔內(nèi)激活介質(zhì)存在著吸收、散射等損失，增益大于損失，光波放大，起振：振蕩閾值條件。增益大于損失，光波放大，起振：振蕩閾值條件。12R強(qiáng)度強(qiáng)度 的光射入長的光射入長L的諧振腔內(nèi)充滿增益系數(shù)的諧振腔內(nèi)充滿增益系數(shù) 的激活介質(zhì)，單程的激活介質(zhì)，單程L后后)(G0I)()(exp001GILGIIL ：單程增益，即光束經(jīng)過激活介質(zhì)一次所

37、得的放大倍數(shù)。：單程增益，即光束經(jīng)過激活介質(zhì)一次所得的放大倍數(shù)。LGGL)(exp)(諧振腔兩鏡面反射率諧振腔兩鏡面反射率 ， ,透射率透射率 ， ，鏡面其它損耗，鏡面其它損耗 ， ， 則：則：1R2R1T2T121111TR1222TR起振條件起振條件閾值條件閾值條件激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法光束在腔內(nèi)往返一次的強(qiáng)度變化光束在腔內(nèi)往返一次的強(qiáng)度變化 往返一次光束強(qiáng)度變化：往返一次光束強(qiáng)度變化： LGII01212RII LGII23134RII 于是：于是： 22104LGRRII ，在激活介質(zhì)振蕩一次強(qiáng)度減小；多次振蕩不斷衰減，無法形成激光振蕩；，在激活介質(zhì)振蕩一次強(qiáng)

38、度減??；多次振蕩不斷衰減，無法形成激光振蕩； ，光強(qiáng)逐漸加強(qiáng)，形成有效的激光振蕩。，光強(qiáng)逐漸加強(qiáng)，形成有效的激光振蕩。 產(chǎn)生激光振蕩條件：產(chǎn)生激光振蕩條件：04II 04II 04II 起振條件起振條件閾值條件閾值條件激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光振蕩最起碼條件激光振蕩最起碼條件1221LGRR增益閾值：增益閾值： 21ln21)(RRLGth又又: )(8)()(122211212gggANggNG激光振蕩反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值：激光振蕩反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值：)(ln4)(21212211212LgRRggANggNth起振條件起振條件閾值條件閾值條件激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生

39、的基本原理和方法(1)均勻加寬時，由于均勻加寬時，由于 ，因而閾值條件為：，因而閾值條件為：g2)(21LRRggANggNth212122121212ln2)(2)非均勻加寬時有非均勻加寬時有 ，于是閾值條件為：，于是閾值條件為：2ln2)(21DgLRRggANggNDth212122121212ln2ln2)( 通過泵浦，使通過泵浦，使 ，且滿足上式的反轉(zhuǎn)閾值要求時，且滿足上式的反轉(zhuǎn)閾值要求時， 光強(qiáng)才逐漸加強(qiáng)，諧振腔內(nèi)才開始形成激光振蕩。光強(qiáng)才逐漸加強(qiáng)，諧振腔內(nèi)才開始形成激光振蕩。 1122gNgN增益加寬機(jī)制不同，閾值條件不同。如果閾值條件是相對于中心頻率而言，則：增益加寬機(jī)制不同，

40、閾值條件不同。如果閾值條件是相對于中心頻率而言，則：起振條件起振條件閾值條件閾值條件激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光往返經(jīng)過激活介質(zhì)，強(qiáng)度隨傳播距離激光往返經(jīng)過激活介質(zhì)，強(qiáng)度隨傳播距離x的增加呈指數(shù)上升。的增加呈指數(shù)上升。無限制地增大？無限制地增大？ 當(dāng)入射光強(qiáng)度足夠弱時，增益系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)，是一個常數(shù)；當(dāng)入射光強(qiáng)度足夠弱時，增益系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)，是一個常數(shù)； 當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定程度時，增益系數(shù)將隨光強(qiáng)的增大而減小當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定程度時，增益系數(shù)將隨光強(qiáng)的增大而減小增益飽和效應(yīng)。增益飽和效應(yīng)。 激光器的穩(wěn)定振蕩條件。激光器的穩(wěn)定振蕩條件。穩(wěn)定振蕩條件穩(wěn)定振蕩條件增益飽和

41、效應(yīng)增益飽和效應(yīng)),(IG激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法設(shè)想某種工作物質(zhì)在泵浦作用下設(shè)想某種工作物質(zhì)在泵浦作用下(無外加光場無外加光場)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即：實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即：01012020gNgNN外加光強(qiáng)致外加光強(qiáng)致 的受激發(fā)射和的受激發(fā)射和 的受激吸收，躍遷幾率相等的受激吸收，躍遷幾率相等 由于由于 ，因而，因而 的粒子數(shù)大于的粒子數(shù)大于 的粒子數(shù)，的粒子數(shù)，新平衡下的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)新平衡下的反轉(zhuǎn)粒子數(shù) ， 變??；變?。浑S著往返振蕩外加光場隨著往返振蕩外加光場 不斷增強(qiáng)，不斷增強(qiáng)， 不斷減小不斷減小增益減小到恰好等于損耗時，就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，形成了穩(wěn)定的激光輸出。增

42、益減小到恰好等于損耗時，就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，形成了穩(wěn)定的激光輸出。12EE 21EE )(1221WW2211gNgN12EE 21EE 0NN)(G)(I)(G激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法穩(wěn)定振蕩條件穩(wěn)定振蕩條件增益飽和效應(yīng)增益飽和效應(yīng)激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì) 提供形成激光的能級結(jié)構(gòu)體系，激光產(chǎn)生的內(nèi)因提供形成激光的能級結(jié)構(gòu)體系，激光產(chǎn)生的內(nèi)因；泵浦源泵浦源 提供形成激光的能量激勵，激光形成的外因，提供形成激光的能量激勵，激光形成的外因，光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 為激光器提供反饋放大機(jī)構(gòu)，提高受激發(fā)射強(qiáng)度、方向、單色性。為激光器提供反饋放大機(jī)構(gòu)，提高受激發(fā)射強(qiáng)度、方向、單色性

43、。激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造1.激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)當(dāng)工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時，工作物質(zhì)處于激活狀態(tài)，光在此介當(dāng)工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時，工作物質(zhì)處于激活狀態(tài)，光在此介質(zhì)中傳播時，就會獲得放大作用。也就是說，原子系統(tǒng)一旦實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)質(zhì)中傳播時，就會獲得放大作用。也就是說，原子系統(tǒng)一旦實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程，就變成了增益介質(zhì)，對外來的光而言就變成了放大器。反轉(zhuǎn)過程，就變成了增益介質(zhì)，對外來的光而言就變成了放大器。二能級系統(tǒng)：二能級系統(tǒng)： 光入射，引起受激吸收，使光入射，引起受激吸收，使N1減小、減小、N2增加；受激輻射，增加；受激輻射，

44、N2減小、減小、N1增增加，兩過程同時進(jìn)行，最終加，兩過程同時進(jìn)行，最終N1= N2，吸收和受激發(fā)射相等，二能級系統(tǒng)不再，吸收和受激發(fā)射相等，二能級系統(tǒng)不再吸收光吸收光 ,即便采用強(qiáng)光照射，共振吸收和受激發(fā)射幾率相同，無法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)即便采用強(qiáng)光照射，共振吸收和受激發(fā)射幾率相同，無法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。即，二能級系統(tǒng)即使有入射光等激勵也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，不反轉(zhuǎn)。即，二能級系統(tǒng)即使有入射光等激勵也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，不能做激光工作物質(zhì)。能做激光工作物質(zhì)。激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造要產(chǎn)生激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）不夠，要產(chǎn)生

45、激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）不夠，至少需要一個可以使得粒子具有較長停留時間或較小自發(fā)輻射幾率的能級，至少需要一個可以使得粒子具有較長停留時間或較小自發(fā)輻射幾率的能級，即亞穩(wěn)態(tài)能級，亞穩(wěn)相對于穩(wěn)定的低能態(tài)或基態(tài)而言。即亞穩(wěn)態(tài)能級，亞穩(wěn)相對于穩(wěn)定的低能態(tài)或基態(tài)而言。激光工作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個能級。激光工作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個能級。實(shí)際上激光工作物質(zhì)不外乎三能級或四能級結(jié)構(gòu)實(shí)際上激光工作物質(zhì)不外乎三能級或四能級結(jié)構(gòu) 反轉(zhuǎn)分布機(jī)制反轉(zhuǎn)分布機(jī)制 abc激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)2.泵浦源泵浦源泵浦泵浦介質(zhì)一般處于粒子數(shù)正常分布狀態(tài)，反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)必須用外界能量來激

46、勵工介質(zhì)一般處于粒子數(shù)正常分布狀態(tài)，反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)必須用外界能量來激勵工作物質(zhì)。在外界作用下，粒子從低能級進(jìn)入高能級從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布作物質(zhì)。在外界作用下，粒子從低能級進(jìn)入高能級從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的過程。泵浦過程就是原子的過程。泵浦過程就是原子(或分子、離子或分子、離子)的激勵過程。的激勵過程。泵浦源或激勵源泵浦源或激勵源把將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的裝置。泵浦源是組成激光器的三個基本部分把將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的裝置。泵浦源是組成激光器的三個基本部分之一，是形成激光的外因。之一，是形成激光的外因。激光器是一個能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?。激光器是一個能量轉(zhuǎn)換器件

47、，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?。合適的激勵方式和能量大小對激光效率產(chǎn)生重要影響。合適的激勵方式和能量大小對激光效率產(chǎn)生重要影響。激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造從直接完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方式來分，主要有以下泵浦方式：從直接完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方式來分，主要有以下泵浦方式：(1)光激勵方式光激勵方式大多數(shù)固體激光器用一束自發(fā)輻射的強(qiáng)光或激光束直接照射工作物質(zhì)，利用激光大多數(shù)固體激光器用一束自發(fā)輻射的強(qiáng)光或激光束直接照射工作物質(zhì)，利用激光工作物質(zhì)泵浦能級的強(qiáng)吸收性質(zhì)將這種光能轉(zhuǎn)化成激光能。效率不高。工作物質(zhì)泵浦能級的強(qiáng)吸收性質(zhì)將這種光能轉(zhuǎn)化成激光能。效率不高。

48、 (2)氣體輝光放電或高頻放電方式氣體輝光放電或高頻放電方式 大多數(shù)氣體激光器由于工作物質(zhì)密度小，粒子間距大，相互作用弱，能級極窄，大多數(shù)氣體激光器由于工作物質(zhì)密度小，粒子間距大，相互作用弱，能級極窄，且吸收光譜多在紫外波段，用光激勵技術(shù)難度大，效率低，故多采用氣體放電中且吸收光譜多在紫外波段，用光激勵技術(shù)難度大，效率低，故多采用氣體放電中的快速電子直接轟擊或共振能量轉(zhuǎn)移完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。的快速電子直接轟擊或共振能量轉(zhuǎn)移完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 (3)直接電子注入方式直接電子注入方式 半導(dǎo)體激光器直接電注入就可以完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且效率高。半導(dǎo)體激光器直接電注入就可以完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且效率高。激光器的構(gòu)造

49、激光器的構(gòu)造泵浦源泵浦源(4)化學(xué)反應(yīng)方式化學(xué)反應(yīng)方式 通過化學(xué)反應(yīng)釋放的能量完成相應(yīng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦方式?；瘜W(xué)激光器就是這通過化學(xué)反應(yīng)釋放的能量完成相應(yīng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦方式?；瘜W(xué)激光器就是這類泵浦方式，一般具有功率大的特點(diǎn)。類泵浦方式，一般具有功率大的特點(diǎn)。 熱激勵、沖擊波、電子束、核能等都可能用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。熱激勵、沖擊波、電子束、核能等都可能用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦方式因工作物質(zhì)的能級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而定。泵浦方式因工作物質(zhì)的能級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而定。激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造泵浦源泵浦源3.諧振腔諧振腔光學(xué)諧振腔是構(gòu)成激光器的重要器件，它不僅為獲得激光輸出提供了必要的條光學(xué)諧振腔是構(gòu)成激光器的重要器

50、件，它不僅為獲得激光輸出提供了必要的條件件限制了可能的模式數(shù)目，同時還對激光的頻率限制了可能的模式數(shù)目，同時還對激光的頻率(高單色性高單色性)、功率、功率(高亮度高亮度)、光束發(fā)散角光束發(fā)散角(方向性好方向性好)及相干性等有著很大影響。前述所引的兩平面鏡構(gòu)成的及相干性等有著很大影響。前述所引的兩平面鏡構(gòu)成的法布里珀羅腔是一種最簡單的諧振控。實(shí)際情況中，根據(jù)不同的應(yīng)用場合及法布里珀羅腔是一種最簡單的諧振控。實(shí)際情況中，根據(jù)不同的應(yīng)用場合及激光器類型，可以采用不同曲率、不同結(jié)構(gòu)的諧振腔。但不管是哪種光學(xué)諧振激光器類型，可以采用不同曲率、不同結(jié)構(gòu)的諧振腔。但不管是哪種光學(xué)諧振腔，它們都有一個共同特性

51、，那就是都是開腔，即側(cè)面沒有邊界的腔，這使偏腔，它們都有一個共同特性，那就是都是開腔，即側(cè)面沒有邊界的腔，這使偏軸模不斷耗散，以保證激光定向輸出。軸模不斷耗散，以保證激光定向輸出。激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造設(shè)激光器腔長設(shè)激光器腔長L，反射鏡曲率半徑分別為，反射鏡曲率半徑分別為 ， （凸面鏡（凸面鏡 ，凹面鏡，凹面鏡 ）。）?？偟膩碇v，諧振腔可分為穩(wěn)定腔總的來講，諧振腔可分為穩(wěn)定腔(低損耗腔低損耗腔)和非穩(wěn)定腔和非穩(wěn)定腔(高損耗腔高損耗腔)兩大類。兩大類。1r2r0r0r(1)穩(wěn)定腔穩(wěn)定腔 穩(wěn)定腔就是滿足下列條件的腔：穩(wěn)定腔就是滿足下列條件的腔： 1

52、021 ss其中：其中： 111rLs221rLs激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造諧振腔諧振腔(a)琺布里珀羅腔琺布里珀羅腔 (b)共焦球面腔共焦球面腔 典型的穩(wěn)定腔有法珀腔、共焦腔等典型的穩(wěn)定腔有法珀腔、共焦腔等(如圖如圖(a)，(b)）。傍軸光線在這類諧振腔內(nèi)）。傍軸光線在這類諧振腔內(nèi)往返多次而不至于橫向逸出腔外。往返多次而不至于橫向逸出腔外。 激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造諧振腔諧振腔(2)非穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔滿足下列不等式之一的球面諧振腔為非穩(wěn)定腔：滿足下列不等式之一的球面諧振腔為非穩(wěn)定腔：021ss121ss或或傍軸光線在這類諧振腔內(nèi)往返有限次后必然從側(cè)面逸出腔外，因而這類腔具傍軸光線在這類諧振腔內(nèi)往

53、返有限次后必然從側(cè)面逸出腔外，因而這類腔具有較高的幾何損耗。典型的非穩(wěn)定腔有雙凸腔、平凸腔、平凹腔、雙凹腔、有較高的幾何損耗。典型的非穩(wěn)定腔有雙凸腔、平凸腔、平凹腔、雙凹腔、非對稱實(shí)共焦非穩(wěn)腔、虛共焦腔等（如圖非對稱實(shí)共焦非穩(wěn)腔、虛共焦腔等（如圖 (c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)），），其中其中(e)、(f)、(g)三種腔因腔內(nèi)存在焦點(diǎn)，強(qiáng)激光的聚焦作用容易破壞工作三種腔因腔內(nèi)存在焦點(diǎn)，強(qiáng)激光的聚焦作用容易破壞工作物質(zhì)，因而實(shí)際中很少采用。物質(zhì)，因而實(shí)際中很少采用。 激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造諧振腔諧振腔(c)雙凸腔雙凸腔 （d）平凸腔）平凸腔 (e)平凹腔平凹腔 （f）雙凹非穩(wěn)腔

54、）雙凹非穩(wěn)腔 (g)非對稱實(shí)共焦非穩(wěn)腔非對稱實(shí)共焦非穩(wěn)腔 （h）虛共焦腔）虛共焦腔激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造諧振腔諧振腔有時將有時將 或或 的共軸球面腔劃分為臨界腔。的共軸球面腔劃分為臨界腔。021ss121ss另外，另外， 的諧振腔稱為對稱共焦腔，其的諧振腔稱為對稱共焦腔，其 ， ， ； 的腔稱為平行平面腔，其的腔稱為平行平面腔，其 ； 的腔稱為共心腔。的腔稱為共心腔。 Lrr2101s02s021ss21rr121 ssLrr21設(shè)諧振腔儲能為設(shè)諧振腔儲能為W，反射鏡反射率，反射鏡反射率R，鏡間距，鏡間距L，則每經(jīng)過一次反射就有，則每經(jīng)過一次反射就有(1-R)W的的光能由諧振腔損失掉，于是每

55、秒損失能量光能由諧振腔損失掉，于是每秒損失能量為：為： LWRccLWRdtdW)1 ()1 (（其中（其中c為光速）為光速） 上式對上式對t求積分，求積分，t=t0時時W=W0，得：，得：tLRceWW)1(0光子在諧振腔中的壽命記作光子在諧振腔中的壽命記作tc，當(dāng)能量減少到，當(dāng)能量減少到W0/e時所經(jīng)歷的時間，即：時所經(jīng)歷的時間，即：)1 (RcLtc激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造諧振腔諧振腔于是：于是： )1 ()1 (RcLLWRcWQ其中其中 表示諧振腔內(nèi)的各種損耗，主要考慮兩部分，反射損耗表示諧振腔內(nèi)的各種損耗，主要考慮兩部分，反射損耗和衍射損耗和衍射損耗 。R1激光器的構(gòu)造激光器的構(gòu)造

56、諧振腔諧振腔設(shè)設(shè)Q為光學(xué)諧振腔定義的品質(zhì)因數(shù)，為光學(xué)諧振腔定義的品質(zhì)因數(shù)， c22WQ ，其中，其中 為角頻率為角頻率。又因?yàn)椋河忠驗(yàn)椋?于是：于是： LRLRcLcQ2)1 (2)1 (2rd激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激活物質(zhì)的能級系統(tǒng)激活物質(zhì)的能級系統(tǒng)1.三能級系統(tǒng)：激光下能級為基態(tài)三能級系統(tǒng)（三能級系統(tǒng)：激光下能級為基態(tài)三能級系統(tǒng)（a） 和激光下能級不是基態(tài)的三能級系統(tǒng)（和激光下能級不是基態(tài)的三能級系統(tǒng)（b）(a)激光下能級為基態(tài)的三能級系統(tǒng)激光下能級為基態(tài)的三能級系統(tǒng) (b)激光下能級不是基態(tài)的三能級系統(tǒng)激光下能級不是基態(tài)的三能級系統(tǒng) 2.四能級系統(tǒng)：激光下能級與

57、基態(tài)能級之間無中間能級（四能級系統(tǒng)：激光下能級與基態(tài)能級之間無中間能級（a） 和激光下能級與基態(tài)能級之間有一個中間能級（和激光下能級與基態(tài)能級之間有一個中間能級（b）(a)激光下能級與基態(tài)能級之間無中間能級激光下能級與基態(tài)能級之間無中間能級 (b)激光下能級與基態(tài)能級之間有一個中間能級激光下能級與基態(tài)能級之間有一個中間能級返回返回激光產(chǎn)生的基本原理和方法激光產(chǎn)生的基本原理和方法激活物質(zhì)的能級系統(tǒng)激活物質(zhì)的能級系統(tǒng)開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束諧振腔主要作用諧振腔主要作用開放式光學(xué)諧振腔開放式光學(xué)諧振腔 提供光學(xué)正反饋提供光學(xué)正反饋 產(chǎn)生對光束的控制作用產(chǎn)生對光束的控制作用

58、 （1）有效地控制腔內(nèi)實(shí)際振蕩的）有效地控制腔內(nèi)實(shí)際振蕩的模式數(shù)目模式數(shù)目，使大量光子集結(jié)，使大量光子集結(jié) 在少數(shù)幾個狀態(tài)之中，提高光子簡并度，獲得單色性好、在少數(shù)幾個狀態(tài)之中，提高光子簡并度，獲得單色性好、 方向性強(qiáng)的相干光；方向性強(qiáng)的相干光； （2）可以直接控制激光束的橫向分布特性，如光斑大小、諧）可以直接控制激光束的橫向分布特性，如光斑大小、諧 振頻率、光束發(fā)射角等；振頻率、光束發(fā)射角等； （3）可以改變腔內(nèi)光束的損耗，在增益一定的條件下，能控）可以改變腔內(nèi)光束的損耗，在增益一定的條件下，能控 制激光束的輸出功率。制激光束的輸出功率。輸出模式輸出模式激光器的輸出由許多獨(dú)立頻率分量激光器的

59、輸出由許多獨(dú)立頻率分量模式組成模式組成模式：能在腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式。模式：能在腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式。所謂穩(wěn)定包含下列意思：所謂穩(wěn)定包含下列意思： 有確定的頻率；有確定的頻率； 振幅在空間的相對分布是確定的，不隨時間而改變；振幅在空間的相對分布是確定的，不隨時間而改變； 相位在空間的相對分布是確定的，不隨時間而改變。相位在空間的相對分布是確定的，不隨時間而改變。開放式光學(xué)諧振腔開放式光學(xué)諧振腔輸出模式輸出模式表示方法：表示方法：m,n,q可分別取可分別取 等整數(shù)，一組等整數(shù)，一組m,n,q對應(yīng)一種模式；對應(yīng)一種模式；m,n：垂直腔軸平面內(nèi)的振幅分布情況，稱橫模階數(shù)，：垂直腔

60、軸平面內(nèi)的振幅分布情況，稱橫模階數(shù)， 直角坐標(biāo)系中，直角坐標(biāo)系中，m和和n的數(shù)值分別是該模式在的數(shù)值分別是該模式在x軸和軸和y軸上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，軸上的節(jié)點(diǎn)數(shù)， 柱坐標(biāo)系中，柱坐標(biāo)系中，m和和n分別為徑向和旋轉(zhuǎn)角分別為徑向和旋轉(zhuǎn)角 向的節(jié)點(diǎn)數(shù)；向的節(jié)點(diǎn)數(shù)；q：光腔軸向形成的駐波節(jié)點(diǎn)數(shù)目，稱縱模階數(shù)。：光腔軸向形成的駐波節(jié)點(diǎn)數(shù)目，稱縱模階數(shù)。三者共同決定該模式的振蕩頻率。三者共同決定該模式的振蕩頻率。如在矩形腔中，設(shè)其長、寬、高如在矩形腔中，設(shè)其長、寬、高)別為別為 ，則相應(yīng)振蕩頻率：，則相應(yīng)振蕩頻率：mnqTEM, 2 , 1 , 0222)()()(2cqbnamc開放式光學(xué)諧振腔開放式光學(xué)諧振腔