1、1,激光的發(fā)展及現(xiàn)狀,激光的發(fā)展（光輻射理論的發(fā)展） LASERLight amplification by stimulated emission of radiation,17世紀(jì) 光的本性 19世紀(jì) 光的波動本性理論有進(jìn)一步發(fā)展 19世紀(jì)下半葉 麥克斯韋方程組 20世紀(jì)初 出現(xiàn)黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)等,2,1900 普朗克提出：電磁輻射源體系能量量子 化 黑體輻射定律 1905 愛因斯坦提出光子說 1916 愛因斯坦提出受激輻射的概念 1930 電磁輻射場與原子體系相互作用時(shí)可能發(fā)生三 種過程 1905 微波技術(shù)產(chǎn)生,3,1951 Townes提出受激微波放大（Ma

2、ser） 1954 氨分子微波發(fā)射器（實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)） 1958 Schawlow、Townes設(shè)計(jì)了激光器 1960 Ruby激光出光（休斯實(shí)驗(yàn)室Maiman、Lamb） HeNe Laser出光（貝爾實(shí)驗(yàn)室Javer） 1961 長春光機(jī)所Ruby Laser 1962 HeNe Laser出光 1964 上光所成立,4, Invented by a Stanford EE and Physics graduate Working in the Hughes Research Labs,May 17, 1960: Ted Maimans ruby laser,5,6,7,8,9,10,11

3、,普通光源-自發(fā)輻射,激光光源-受激輻射,激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是 “輻射的受激發(fā)射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),12,一. 特點(diǎn)：,方向性極好（發(fā)散角10 -4弧度）,脈沖瞬時(shí)功率大（可達(dá)10 14瓦）,空間相干性好，有的激光波面上 各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。,時(shí)間相干性好（10 - 8埃）， 相干長度可達(dá)幾十公里。,相干性極好,亮度極高,13,按工作方式分,連續(xù)式（功率可達(dá)104 W） 脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014 W ）,三 . 波長：極紫外可見光亞毫米,(100 n m ） （

4、1.222 m m ）,二 . 種類：,固體（如紅寶石Al2O3） 液體（如某些染料） 氣體（如He-Ne，CO2） 半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAs） ,按工作物質(zhì)分,14,1 粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計(jì)分布 原子的激發(fā),由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的 平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：,15,若 E2 E 1，則兩能級上的原子數(shù)目之比,數(shù)量級估計(jì)：,T 103 K；,kT1.3810-20 J 0.086 eV;,E 2-E 11eV;,16,但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā);且 N2 N1, 稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion)。,原子激發(fā)的幾種基本方式：,1氣體

5、放電激發(fā),2原子間碰撞激發(fā),3光激發(fā)(光泵),視頻,視頻,17,2 自發(fā)輻射 受激輻射和吸收,一. 自發(fā)輻射(spontaneous radiation),設(shè) N1 、N2 單位體積中處于E1 、E2 能級的原子數(shù)。,單位體積中單位時(shí)間內(nèi)， 從E2 E1自發(fā)輻射 的原子數(shù)：,h,18,寫成等式,21 自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位 時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。,各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、 無關(guān)的 非相干光 。,19,二受激輻射 (stimulated radiation),全同光子,設(shè) （、）溫度為時(shí), 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的 外來光的能量密度。,20,單

6、位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E E 受激輻射的原子數(shù)：,寫成等式,B21受激輻射系數(shù),21,W21 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 受激輻射過程的概率。,則,受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、 相位及傳播方向均相同 -有光的放大作用。,令 W21 = B21 （、T）,22,三 . 吸收(absorption),h,上述外耒光也有可能被吸收，使原子 從E1E2。,單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來光而從 E1E2 的原子數(shù)：,23,寫成等式,B12 吸收系數(shù),令 W12=12 ( 、T),W12 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 吸收過程的概率。,24,A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數(shù)。,愛因斯坦在 1

7、年從理論上得出,愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上 獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。,沒有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會迷失方向。,沒有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會遲疑不決。,B21 = B12,25,3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),一. 為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (population inversion),26,必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。,因 B21=B12, W21=W12,產(chǎn)生激光必須,27,He -Ne 激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是 激活物質(zhì)，He與 Ne之比為51 101。,28,電子碰撞,碰撞轉(zhuǎn)移,29,He-Ne激光管的工作原理：,由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級) 的概率比 Ne 原子被激發(fā)的概率

8、大；,在He 的23S，21S這兩個(gè)能級都是亞穩(wěn)態(tài)， 很難回到基態(tài)；,在He的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上 集聚了較多的原子。,由于Ne的 5S 和 4S與 He的 21S和 23S的 能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常 容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；,30,（要產(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外， 還要設(shè)法減少下能級的粒子數(shù)）,正好Ne的5S，4S是亞穩(wěn)態(tài)，下能級 4P， 3P 的壽命比上能級5S，4S要短得多， 這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。,在碰撞中 He 把能量傳遞給 Ne而回到基態(tài)， 而 Ne則被激發(fā)到 5S 或 4S；,31,放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子 與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 S

9、態(tài) 的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生 “無輻射躍遷”而回到基態(tài)，,以及時(shí)減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)， 有利于激光下能級4P與3P態(tài)的抽空。,32, Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線, 圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條:,06328 115 m 339 ,它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、 非基態(tài) 之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,33,4 增益系數(shù),激光器內(nèi)受激輻射光 來回傳播時(shí)，并存著,增益光的放大；,損耗光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射鏡處必要 的激光輸出）等。,激光形成階段：增益損耗,激光穩(wěn)定階段：增益損耗,增益,損耗,34,一激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)的凈增益,設(shè)0處，光強(qiáng)為I0, I,+dx

10、I + d I,有 d I Idx,寫成等式 d I = G I dx,定義：增益系數(shù) G (gain coefficient),35,即單位長度上光強(qiáng)增加的比例。,一般G不是常數(shù)。 為簡單起見，先近似地認(rèn)為G是常數(shù)。,36,二 . 考慮激光在兩端反射鏡處的損耗,I0 激光從左反射鏡出發(fā)時(shí)的光強(qiáng)。,I1 經(jīng)過工作物質(zhì)后，被右反射鏡反射 出發(fā)時(shí)的光強(qiáng)。,I0,全反射鏡,部分反射鏡,I1,I2 再經(jīng)過工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射 出發(fā)時(shí)的光強(qiáng)。,I2,R1、R2 左、右兩端反射鏡的反射率.,37,顯然有I 1 = R 2 I 0 eGL,I 2 = R 1 I 1 eGL,= R 1 R 2 I 0

11、 e2GL,在激光形成階段,即 R1 R2 e2GL 1,或,須 I2 / I0 1,38,式中Gm稱為閾值增益， 即產(chǎn)生激光的最小增益。,在激光穩(wěn)定階段,即,光強(qiáng)增大到一定程度后,須 I2 / I0 = 1,39,在激光的形成階段G Gm , 光放大， 怎麼光強(qiáng)不會無限放大下去？,在激光的穩(wěn)定階段 怎么又會G = Gm ?,原因是實(shí)際的增益系數(shù)G 不是常量,當(dāng) I時(shí)，會 G。,這是由于光強(qiáng)增大伴隨著 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度的減弱。 （負(fù)反饋）,不會。,40,當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度，G下降到m時(shí)， 增益=損耗，激光就達(dá)到穩(wěn)定了。,通常稱,-為閾值條件。,( threshold condition),41

12、,5光學(xué)諧振腔 縱膜與橫模,(optical harmonic oscillator),(longitudinal mode and transverse mode),激光器有兩個(gè)反射鏡， 它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。,42,光學(xué)諧振腔的作用：,1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；,2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；,3.使激光具有極好的單色性（選頻）。,閾值條件為,對于可能有多種躍遷的情況， 可以利用閾值條件來選出一種躍遷。,選頻之一：,43,我們可以控制1、2的大?。?對 0.6328 m 1、R2大 Gm 小(易滿足閾值條件，使形成激光) ；,對 1.15 m 、3.39 m 1、2小

13、 Gm大（不滿足閾值條件，形不成激光）。,例如，若氦氖激光器Ne原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激輻射 光中, 只讓波長0.6328 m的光輸出，,44,設(shè)氦氖激光器Ne原子的 06328 m受激輻射光 的譜線寬度為, 如圖所示。, 1.3109 Hz,對于單一的躍遷，還可以利用 選擇縱模間隔的方法，進(jìn)一步 在譜線寬度內(nèi)再選頻。,選頻之二：,45,由于,為什么激光的譜線寬度會 小到 10-8？,取絕對值,46,由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，,所以有光程,( k=1、2、3、),k真空中的波長,n 諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率,47,可以存在的縱模頻率為,相鄰兩個(gè)縱模頻

14、率的間隔為,數(shù)量級估計(jì)：,1； n1.0； c108 ms,48,而氦氖激光器 0.6328 m 譜線的寬度為, =13109 HZ,因此，在 區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為,49,利用加大縱模頻率間隔k的方法,可以使 區(qū)間中只存在一個(gè)縱模頻率。,比如縮短管長到 10 c，,即 L/10,50,于是就獲得了譜線寬度非常窄的激光輸出， 極大地提高了0.6328 m 譜線的單色性。,激光除了有縱向駐波模式外， 還有橫向駐波模式。,51,小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件,. 激勵(lì)能源（使原子激發(fā)）,. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）,.光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）,基橫模在激光光束的橫截面上各點(diǎn)的

15、位相相同，空間相干性最好。,52,6 激光的特性及其應(yīng)用,方向性極好的強(qiáng)光束 -準(zhǔn)直、測距、切削、武器等。,相干性極好的光束 -精密測厚、測角，全息攝影等。,53,激光光纖通訊,由于光波的頻率 比電波的頻率高 好幾個(gè)數(shù)量級，,一根極細(xì)的光纖 能承載的信息量， 相當(dāng)于圖片中這 麼粗的電纜所能 承載的信息量。,54,2 . 激光手術(shù)刀,（不需開胸，不住院）,照明束 照亮視場, 纖維鏡激光光纖 成象, 有源纖維強(qiáng)激光 使堵塞物熔化, 附屬通道 （可注入氣或液） 排除殘物以明視線, 套環(huán) （可充、放氣） 阻止血流或使血流流通,55,3激光 原子力顯微鏡(AFM),用一根鎢探針或硅 探針在距試樣表面 幾

16、毫微米的高度上 反復(fù)移動,來探測固 體表面的情況。,試樣通常是 微電子器件。,56,探針尖端在工作時(shí)處于受迫振動狀態(tài)， 其頻率接近于探針的共振頻率。,探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯 吸引力的作用時(shí)，其共振頻率發(fā)生變化， 因而振幅也隨之改變。,為了跟蹤尖端的振動情況，將一束激光分成 兩束，其中一束通過棱鏡反射，另一束則 穿過布喇格室，然后從探針背面反射回來。,57,可檢測出尺度小至 5毫微米的表面起伏變化。,用于檢查微電路成品， 檢查制作微電路用的硅表面的質(zhì)量。,這兩束光重新會合后發(fā)生干涉， 根據(jù)干涉的情況可知探針振動的變化情況。,據(jù)此可探知試樣 表面的原子起伏情況。,58,隨著微電子電路技術(shù)的進(jìn)展，硅基片 表面的不平坦度如果超過幾個(gè)原子厚度就 將被認(rèn)為是不合格的。,59,4. 軍事應(yīng)用,激光制導(dǎo),激光測距,激光偵察,大氣激光通信,60,激光武器,61,5. 日常應(yīng)用,激光打印機(jī),電腦光驅(qū),CD/VCD,條形碼掃描器,激光防偽,激光霓虹燈,激光原理 . 緒論,62,6. 通信領(lǐng)域的應(yīng)用,空間激光通信,63,激光技術(shù)發(fā)展史,1.1917年：愛因斯坦在關(guān)于輻射的量子力學(xué)一文預(yù)言了 原子受激輻射發(fā)光的可能性，即存在激光的可能性;,2. 20世紀(jì)50年代：湯斯