第第 2 2 章章 激光产生的基本原理激光产生的基本原理光的受激辐射基本概念光的受激辐射基本概念普朗克普朗克1900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设；波尔波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，从光量子概念出发，重新推导年，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。激光原理激光原理 . 第一章第一章受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规律时首先提出。律时首先提出。黑体辐射研究过程中：黑体辐射研究过程中：任何物质在一定温度下都要任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。辐射和吸收电磁辐射。黑体：黑体：能够完全吸收任何波能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。长的电磁辐射的物体。空腔辐射体空腔辐射体受激辐射概念的提出受激辐射概念的提出 受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃迁。迁。爱因斯坦爱因斯坦发现，若只有发现，若只有自发辐射自发辐射和和吸收吸收跃迁，跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在平衡，还必须存在受激辐射受激辐射。光和物质三种作用过程：光和物质三种作用过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射原子的跃迁原子的跃迁 跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。一能级。2.1 原子发光机理原子发光机理发光前发光前发光后发光后1. 自发辐射自发辐射 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级态的高能级E2 自动跃迁至低能级自动跃迁至低能级E1，辐射光子辐射光子, 称为称为自自发辐射发辐射。随机过程，非相干光。随机过程，非相干光。自发辐射光子频率：自发辐射光子频率：白炽灯、日光灯白炽灯、日光灯等普通光源，它等普通光源，它们的发光过程就们的发光过程就是上述的自发辐是上述的自发辐射，频率、振动射，频率、振动方向、相位都不方向、相位都不固定相同，不是固定相同，不是相干光。相干光。2.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命A21, 只与原子本身性质有关，与辐射场无关只与原子本身性质有关，与辐射场无关A21: 自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数）自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数）E2E1E2能级粒子数密度变化：能级粒子数密度变化：2. 受激吸收受激吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级的能量后从低能级跃迁到高能级-光吸收。光吸收。低能级低能级E1高能级高能级E2光子光子W12与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：E1E2 E1 能级粒子数密度变化：能级粒子数密度变化：B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子本，只与原子本身性质有关。身性质有关。发光前发光前发光后发光后3. 受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使时，使原子中处于高能级的原子中处于高能级的电子会在外来光子的电子会在外来光子的诱发下向低能级跃，并发出与外来光子一诱发下向低能级跃，并发出与外来光子一样特征的光子（样特征的光子（全同光子全同光子）-受激辐射受激辐射。全同光子全同光子：频率、相位、偏振方向和传播方向均：频率、相位、偏振方向和传播方向均相同的光子。相同的光子。相干光子相干光子B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。本身性质有关。W21与原子本身性质和辐射场能量密度有关。与原子本身性质和辐射场能量密度有关。当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程 受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率： E2能级粒子数密度变化：能级粒子数密度变化：三、爱因斯坦三系数三、爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系激光原理激光原理 . 第一章第一章热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率吸收率（辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）E E1 1、E E2 2的的统计权重统计权重/能级简并度能级简并度结论：结论：1.能级简并度能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。激光原理激光原理 . 第一章第一章3. 自发辐射的出现随自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，而增大，故波长越短， 自发辐射几率越大。自发辐射几率越大。2.3 2.3 激光产生的条件激光产生的条件 2.3.1 受激辐射光放大受激辐射光放大相干光相干光（激光）（激光）光放大光放大激光原理激光原理 . 第一章第一章 在受激辐射中通过一个光的作用，得到两在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子征完全相同的光子-光放大，光放大，激光激光。 对受激辐射光放大的影响因素：对受激辐射光放大的影响因素：自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收 受激吸收对受激辐射光放大的影响受激吸收对受激辐射光放大的影响 受激吸收受激吸收占优势，占优势，不能产生不能产生光放大光放大 受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收 集居集居/粒子数正常分布粒子数正常分布:受激辐射光放大的必要条件：受激辐射光放大的必要条件：集居数集居数/粒子数粒子数反转分布（反转分布（n2n1） 自发辐射对受激辐射光放大的影响自发辐射对受激辐射光放大的影响 例：例：T=300K时，时，=0.6=0.6m,自发辐射光对激光自发辐射光对激光: 噪声噪声此时，光源是非相干光源。此时，光源是非相干光源。例例2：=1=1m时时, 欲使欲使R =1, 则：则： T=50 000K可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非相干光源。相干光源。激光原理激光原理 . 第一章第一章2.3.2 集居数集居数/粒子数反转粒子数反转光放大必要条件光放大必要条件受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。获得光放大。 粒子数反转分布（集居数反转）粒子数反转分布（集居数反转） 光放大光放大/激光产生的必要条件：激光产生的必要条件：粒子数反转分布粒子数反转分布 受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收2.3.3 激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统一般采用三、四能级系统一般采用三、四能级系统激活介质：激活介质：实现粒子数反转分布的介质实现粒子数反转分布的介质（分子、原子、离子）。（分子、原子、离子）。1、为什么不能用二能级系统、为什么不能用二能级系统二能级系二能级系统不能实统不能实现粒子数现粒子数反转分布反转分布至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。亚稳态：亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定不如基态稳定，但比激发态要稳定得多。得多。激光原理激光原理 . 第一章第一章在亚稳态上有可能积累在亚稳态上有可能积累较多的粒子，与下能级较多的粒子，与下能级之间之间实现粒子数反转分实现粒子数反转分布，达到光放大的目的。布，达到光放大的目的。原子处在激发态时间很短原子处在激发态时间很短10-8s，但还有，但还有一些亚稳态，可以停留一些亚稳态，可以停留10-3s,泵浦泵浦为什么用三、四能级系统？为什么用三、四能级系统？红宝石中铬离子能级图红宝石中铬离子能级图激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态产生激光产生激光 例：例：红宝石：红宝石：在人工制造的刚玉（在人工制造的刚玉（ ）中，掺入少量）中，掺入少量 铬离子（铬离子（ ）构成晶体。激活介质）构成晶体。激活介质: :铬离子。铬离子。（激光上能级）（激光上能级）（激光下能级）（激光下能级）无辐射跃迁无辐射跃迁2、三能级系统、三能级系统EnergyLaser RadiationNFast transitionAbsorption另：另： 亚稳态亚稳态激发态激发态激光原理激光原理 . 第一章第一章3、四能级系统、四能级系统(a)激发态激发态亚稳态亚稳态激发态激发态氦氖气体激光器氦氖气体激光器EnergyLaser RadiationNFast transitionAbsorptionFast transition(b)另：另： 引起受激辐射的最初激励光子可以来自自发辐射。引起受激辐射的最初激励光子可以来自自发辐射。激光原理激光原理 . 第一章第一章、光的自激振荡、光的自激振荡自发辐射为主自发辐射为主受激辐射为主受激辐射为主不断增大不断增大设想有长度足够大的激活介质：设想有长度足够大的激活介质： 激光原理激光原理 . 第一章第一章光学谐振腔光学谐振腔 由两块相互平行，与工作介质轴线垂由两块相互平行，与工作介质轴线垂直的平面或球面反射镜构成。直的平面或球面反射镜构成。激激光光光光束束全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜有效延长激活介质长度有效延长激活介质长度全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光原理激光原理 . 第一章第一章光的反馈振荡：光的反馈振荡：光经反射镜来回光经反射镜来回反射，称为反射，称为光学光学反馈振荡反馈振荡。光在激活介质不光在激活介质不断地反射增强现断地反射增强现象称为象称为自激振荡自激振荡。获得强激光获得强激光2.4 激光器的基本组成与分类激光器的基本组成与分类激光工作物质、泵浦源、谐振腔激光工作物质、泵浦源、谐振腔（1）激光器的基本组成）激光器的基本组成1、激光工作物质、激光工作物质激光工作激光工作物质物质激活介质：激活介质：形成粒子数反转分布的物质。形成粒子数反转分布的物质。 （分子、原子、离子）（分子、原子、离子）基质基质/辅助物质：辅助物质：为激活粒子提供寄存场所为激活粒子提供寄存场所的材料或促进激活粒子集居数反转分布的的材料或促进激活粒子集居数反转分布的其它物质。其它物质。激光工作物质：固体、气体或液体激光工作物质：固体、气体或液体泵浦（泵浦（Pumping）：）：（抽运、激励）（抽运、激励）外界向物质提供能量外界向物质提供能量实现粒子数反转分布方法：实现粒子数反转分布方法：2. 泵浦源泵浦源泵浦的几种基本方式：泵浦的几种基本方式：气体放电；气体放电； 原子间碰撞；原子间碰撞； 光泵等等。光泵等等。泵浦源：泵浦源：电能、光能、化学能、核能等。电能、光能、化学能、核能等。E1E2 3、光学谐振腔、光学谐振腔2. 对振荡光束的控制作用：对振荡光束的控制作用：（1）模式数目）模式数目（2）光束特性）光束特性（3）输出功率）输出功率光束特性的控制光束特性的控制: 方向、频率的选择及控制空间方向、频率的选择及控制空间分布等。分布等。1）产生和维持激光振荡，输出稳定激光；）产生和维持激光振荡，输出稳定激光；光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：（2）激光器的分类）激光器的分类1. 根据工作物质根据工作物质 固体激光器固体激光器 ：红宝石，：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃，钕玻璃气体激光器气体激光器：HeNe，CO2，离子激光器，离子激光器液体激光器液体激光器：染料激光器：染料激光器半导体激光器半导体激光器 ：LD自由电子激光器自由电子激光器光纤激光器光纤激光器2. 按工作方式分按工作方式分激光器的分类激光器的分类连续激光器、脉冲激光器连续激光器、脉冲激光器3. 按激光技术分按激光技术分调调Q激光器、激光器、 锁模激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器稳频激光器、可调谐激光器