激光原理

1. 激光原理 工程技术学院 杜戈果

2. 第一章 激光的基本原理 • 光学发展简史（省略） • 激光发展 • 激光的物理基础 • 激光特性 • 典型激光器简介

3. 光学的范畴 • 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics（光学）这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。 • 广义来讲，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的、关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示、以及跟物质相互作用的科学。

4. 分支：几何光学、波动光学、大气光学、 海洋光学、 量子光学、光谱学、生理光学、 电子光学、集成光学、 空间光学

5. 激光发展简史 • 1917年Einstein的理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射（按此模型推导出和实验完全符合的黑体辐射Planck公式），提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation—LASER） • 理论工作指出：受激辐射光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振

6. 1954年汤斯(Townes)、巴索夫(Basov)、普洛霍诺夫(Prokhorov) 利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念，实现氨分子微波量子振荡器(Maser)--量子电子学 • 1958年汤斯、肖洛(Schawlow)—尺度远大于波长的开放式光谐振腔（Fabry-Perot） • 布隆伯根（Bloembergen）利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布 • 1960年梅曼（Maiman）世界上第一台红宝石激光器

7. 1961年：He-Ne激光器、第一台调Q激光器、钕玻璃激光器1961年：He-Ne激光器、第一台调Q激光器、钕玻璃激光器 • 1962年：砷化镓（GaAs）半导体激光器 • 1963年：激光器的半经典理论 • 1964年：氩离子（ Ar+）激光器、二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器 • 1965年：铌酸锂光参量振荡器 • 1966年：固体锁模激光器、染料激光器 • 1970年：准分子激光器 • 1977年：红外波段的自由电子激光器

8. 它的历史是一部典型的交叉学科的发展史： • 发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有完全不同 的专业背景 • 各种学科和技术应用激光并形成了许多重要的交叉学科：如光电子学、激光光谱学、 激光化学、非线性光学、激光全息术、激光生物医学、 激光计量、超快光电子学、激光加工处理...... • 形成了一系列重要技术应用领域，光子产业方兴未艾

9. 激光的特性 (Laser output-beam properties) • 单色性： 指光强按频率的分布状况，激光的频谱宽度非常窄 • 相干性：时间相干性和空间相干性都很好 • 方向性：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发散角很小 • 高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大

10. 空间相干性和方向性是紧密联系的，与激光的横模结构相联系。（横模代表光腔模式的横向光场分布）空间相干性和方向性是紧密联系的，与激光的横模结构相联系。（横模代表光腔模式的横向光场分布） • 如果激光是单横模结构，同一模式内的光波场是空间相干的；而另一方面，单横模结构又具有最好的方向性。反之，如果激光是多横模结构，由于不同模式的光波场是非相干的，所以激光的空间相干性程度减小；另一方面，多横模意味着方向性变差（高次模发散角加大）

11. 为了提高激光器的空间相干性，应限制激光器工作在单横模；合理选择光腔的类型以及增加腔长以利于提高光束的方向性为了提高激光器的空间相干性，应限制激光器工作在单横模；合理选择光腔的类型以及增加腔长以利于提高光束的方向性 • 激光所能达到的最小光束发散角还要受到衍射效应的限制，它不能小于激光通过输出孔径时的衍射角θm • 设输出孔径为2a，则衍射极限为

12. 激光束的空间相干性和方向性对它的聚焦性能有重要影响。激光束的空间相干性和方向性对它的聚焦性能有重要影响。 • 当一束发散角为θ的单色光被焦距为F的透镜聚焦时，焦平面光斑直径D为

13. 时间相干性和单色性是紧密联系的c=1/， --频带宽度 • 光源的单色亮度定义为单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率 四性本质上归结为：激光具有很高的光子简并度。激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强。这一特性正是由于受激辐射的本性和激光腔的选模作用才得以实现的。

14. There are several important and fundamental differences in detail, however, between the “incoherent” light emitted by any thermal light source, such as the flashlight and the “coherent” light emitted by a laser oscillator.

15. Ideal laser monochromaticity and frequency stability • The flashlight, like any other thermal light source, emits a generally broadband continuum of light at many different wavelengths. There are light sources, such as discharge lamps, that emit only comparatively few spectral lines or narrow bands of wavelengths, but the spectral widths of the light emitted by even the best such sources are still limited by the linewidths of the atomic transitions in the discharge atoms.

16. The output beams from most lasers can be, by contrast, highly monochramatic, and in ideal lasers can consist almost entirely of a single frequency. That is, the output signal for a near-ideal laser will be a nearly pure, constant-amplitude, highly stable, single-frequency sine wave, exactly like the signal generated by a highly stable electronic oscillator in any other frequency range.

17. The term coherence necessarily refers not to one property of a signal at a single point in space and time, but to a relationship, or a family of relationships, between one signal at one point in space and time, and the same or another signal at other points in space and time. • More colloquially, a signal is called “temporally coherent” if there is strong correlation in some sense between the amplitude and/or phase of the signal at any time and at earlier or later time.

18. Both the amplitude and the phase of a good-quality laser oscillator will in fact change only slowly with time, so that the amplitude and the phase of the output sine wave from the laser at any one time will be strongly correlated with the amplitudes and phases at considerably earlier or later times. A good laser beam might thus be said to be temporally coherent because of this strong correlation between the amplitudes and phases of the signal at not very different points in time.

19. A good-quality laser oscillator can also oscillate in a single transverse-mode pattern, which has a definite and specific amplitude and phase pattern across any transverse plane inside the laser, and particularly across the output mirror. In this situation there is a very high degree of correlation between the instantaneous amplitudes, and especially between the instantaneous phase angles, of the wavefront at any two points across the output beam. We can then also say that the output beam possesses a very high degree of “spatial coherence” (in the transverse direction).

20. A single-transverse-mode laser oscillator can produce (usually in practice, and always in principle) an output beam that is more or less uniform in amplitude and constant in phase (“uniphase”) across its full output aperture of width of diameter d. Such a beam can propagate for a sizable distance with very little diffraction spread; will have a small far-field angle at still larger distances; and can be focused into a spot only a few wavelengths in diameter.

21. Elementary diffraction theory says, for example, that a uniphase plane wave coming from an aperture of diameter d will have a minimum angular diffraction spread  in the far field given by (in radians)

22. Suppose this same uniphase laser beam with initial diameter d is focused down to a spot of diameter d0 by means of a simple lens of focal length f. The diameter d0 of the focused spot can then be calculated by applying the same angular spread condition in reverse, to obtain

23. 典型激光器简介 激光器的组成 (Essential elements of a laser) 激光器基本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分 (A laser medium, suitable optical feedback elements, and a pumping process.) 1、工作物质是激光器的核心

24. 2、谐振腔 • 谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈 • 谐振腔是激光器的重要部件，不仅是形成激光振荡的必要条件，而且还对输出的模式、功率、光束发散角等均有很大影响 • 谐振腔由全反射镜和部分反射镜（输出反射镜）组成，激光由部分反射镜输出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔

25. 3、泵浦系统—粒子搬迁的动力 泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels. ) Practical laser materials can be pumped in many ways. • 光激励---用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光 • 放电激励---在放电过程中，气体分子（或原子，离子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转

26. 热能激励---用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然后突然降低气温度，因高、低能级的热驰豫时间不同，可使粒子数反转热能激励---用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然后突然降低气温度，因高、低能级的热驰豫时间不同，可使粒子数反转 • 化学能激励——利用化学应过程中释放的能量来激励粒子，建立粒子数反转。为产生化学反应，一般还需采用一定的引发措施，如采用光引发、电引发、化学引发等方式 • 核能激励——用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转

27. 激光器的分类: • 工作物质---可以分为气体、固体、半导体、液体、化学、自由电子激光器 • 工作方式---连续工作(CW or continuous wave lasers)和脉冲工作(Pulsed lasers) • 激光技术---调Q激光器(Q-switched lasers)、锁模激光器(Mode locked lasers)、倍频激光器(Frequency doubling lasers)、可调谐激光器(Tunable lasers)、单模和多模激光器(Single-mode and Multi-mode lasers)等

28. 气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子

29. 气体激光器的激励方式很多，最普通的激励方式是气体放电激励。气体激光器的激励方式很多，最普通的激励方式是气体放电激励。 • 气体激光器的工作物质种类多，又能采用多种激励方式，所以覆盖的波段宽，从紫外到亚毫米波。是目前种类最多、激励方式最多样化、激光波长分布区域最宽、应用最广泛的一类激光器。

30. He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neon gas laser) • 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（Δv可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定 • He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构成。

31. 由于增益低，谐振腔一般用平凹腔 • 放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率 • 最强的谱线有三条：0.6328μm（红色）、3.39μm和1.15μm，常用的为0.6328μm • 四能级系统

32. 固体激光器(Solid-state lasers) • 激光介质由掺杂于固体基质中的金属离子（也称激活离子）和基质所组成。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料，它的光谱特性主要由激活离子的能级结构决定，但受基质材料的影响，光谱特性将有所变化，有的甚至变化很大。 • 可作激活离子的元素有四大类：过渡族金属离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、锕系离子，覆盖的波长275~3022nm。

33. 基质材料分为玻璃和晶体两大类 • 常用的基质玻璃有：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃 • 晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体 • 典型代表有红宝石、Nd3+：YAG(Nd3+ ions in yttrium aluminum garnet)、钕玻璃激光器(Neodymium-glass laser) • 特点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面

34. 固体激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等，日光泵适用于空间技术中的激光器。固体激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等，日光泵适用于空间技术中的激光器。 • 用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是90年代激光发展的主要方向之一，兼容了二者的优点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑

35. 一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成 有连续工作和脉冲工作方式

36. 红宝石激光器( Ruby Laser) • 红宝石是掺有少量Cr3+离子的Al2O3单晶。 • E1为基态，E2为亚稳态，E3是大量能级组成的能带。光放大在E2和E1间产生，相应波长为694.3nm。 氙灯光强继续增加到n2>n1 氙灯泵浦 n1减少， n2增加 n1>>n2 自发辐射（荧光） 粒子数反转分布 光强继续增加到某一阈值 光放大器 激光 满足振荡条件

37. 光纤激光器(Fiber lasers) • 激光与光纤技术结合而生的新颖固体激光器。光纤是一种特殊的固体，一般稀土元素离子掺杂在光纤中，其结构的特殊性可以使其在较低的泵浦功率下工作在连续的输出状态，易与光纤传输系统连接，主要用于光纤通信及传感器领域，适合医学上的某些应用。

38. 半导体激光器(Semiconductor laser or laser diode) • 半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有GaAs（砷化镓）、InP等。利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的，称为载流子。） • 具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点，在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。

39. 液体激光器 • 有机化合物液体（染料）激光器（简称染料激光器）和无机化合物液体激光器（简称无机液体激光器）。 • 染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素 • 特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度 • 广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中，研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。

40. 染料激光器(Dye lasers) • 一种波长连续可调的激光器，染料分子的吸收光谱和荧光光谱均为宽带结构，这是由染料特殊的分子结构造成的，也是能波长连续可调的原因。可采用光栅、棱镜、法布里一珀罗干涉仪、双折射滤光片等调谐元件 • 主要采用光泵浦，即用短脉冲宽度的闪光灯泵浦或其它激光器泵浦；脉冲泵浦和连续泵浦 • 调谐范围随泵浦光波长变化，Nd:YAG激光器泵浦时，调谐范围最大，达300~1400nm • 对比：固体可调谐激光器：掺钛蓝宝石激光器