【正文】 第 3章 激光原理與技術(shù) 主要內(nèi)容 ? 相干光源、非相干光源與激光 ? 光與物質(zhì)相互作用理論 —— 激光產(chǎn)生與傳播基礎(chǔ) ? 激光產(chǎn)生的條件 ? 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 ? 激光的特點(diǎn) ? 激光器的種類 ? ? 激光選模技術(shù) ? 激光穩(wěn)頻技術(shù) ? 其他激光技術(shù) ? 相干光源、非相干光源與激光 如同電子學(xué)中的電源一樣，光電子學(xué)中第一個(gè)接觸的便是光 源。 光源器件 主要是指電光變換器件，分成 相干光源 和 非相干光 源 ，如表 31。 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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L E D ))()(激光器等 離半 導(dǎo)染料激光器固體激光器氣體激光器L E DEL表31 光源器件分類 著重由電轉(zhuǎn)換成光的能量轉(zhuǎn)換效率和顏色 著重顯示圖象的清晰度、對比度、色彩飽和度等 著重光的單色性和高速脈沖性 ? 相干光源、非相干光源與激光 特點(diǎn)： ?各原子自發(fā)輻射的光波方向、頻率及 相位等都是不確定的、分散的 （ 與人為形成且相位一致的電波相比） 方向：四面八方無規(guī)則輻射 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 (圖 (a)) 強(qiáng)度：光波亮度很低 —— 雜亂無章的噪聲光 —— 傳輸衰減，出射光強(qiáng)恒小于入射光強(qiáng)。 最早利用電作光源的是炭弧燈。 (a)普通光源產(chǎn)生的非相干光 —— 非相干光源 來源：原子或分子體系的自發(fā)輻射 相干光源、非相干光源與激光 —— 非相干光源 ? 1878年 12月，英國 斯萬（ Swan）發(fā)明電燈泡。 ? 1879年 10月，美國 愛迪生（ Edison）質(zhì)量更好的電燈泡。 ? 1938年，美國 紐曼（ Neuman）等 研制成熒光燈 ? 目前 , 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 ? 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、廣告牌等 家用燈樣品正走向?qū)嵱?。 相干光源、非相干光源與激光 —— 相干光源 ? 特點(diǎn)： ? 方向：發(fā)散很小 ? 頻譜：單一 ? 連續(xù)性：無限連續(xù) ? 亮度：極高 ? 在時(shí)間、空間上相位同步 ? 傳輸增益，出射光強(qiáng)增強(qiáng) 激光器 非線性光源 (b)激光發(fā)射的相干光 相干光源、非相干光源與激光 —— 激光 ? 激光：受激放大光發(fā)射 ? Laser， (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ?單色亮度高 ?出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng) ?相位整齊 ?方向性好 ?強(qiáng)度高 ? 為信息處理提供了穩(wěn)定的載息媒介。 相干光源、非相干光源與激光 —— 激光 ? 1916年，美國 愛因斯坦，提出概念，指明獲得途徑 (《 關(guān)于輻射的量子理論 》 ) ? 1954年，美國 湯斯（ ），研制成功 MASER(致冷氨分子 )， ? 1958年，美國和前蘇聯(lián)科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出了實(shí)現(xiàn)激光振蕩的具體設(shè)想： ? 美國 肖洛（ ） /湯斯（ ）（“紅外和光學(xué)振蕩器”） ? 前蘇聯(lián) (實(shí)現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器的建議 ) ? 1960年，美國 梅曼 () 紅寶石激光器問世（波長 ） ? 從理論到實(shí)現(xiàn)歷時(shí) 44年，原因有二： ? 當(dāng)時(shí)對激光的社會需求不迫切，還沒有引起資助部門的注意， ? 學(xué)者受微波振蕩器金屬封閉腔模型束縛，沒有找到技術(shù)關(guān)鍵 相干光源、非相干光源與激光 —— 激光 ? 1960年秋，美國 Javan等 ?m連續(xù)振蕩 HeNe氣體激光器。 ? 1962年，美國 Nathan、 Hall和 Quist 77K GaAs半導(dǎo)體激光器。 ? 1966年， Sorokin 等 激光泵浦若丹明 6G可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。 ? 1966年，美國 Dimmock、 Bulter、 Melngailis等 低溫工作窄帶半導(dǎo)體近紅外可調(diào)諧激光器。 ? 1970年，美國 Lin等 雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 ? 1980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 (DFB)激光器、分布布拉格發(fā)射 (DBR)激光器、超快激光器 ? 波長：紫外、可見、紅外 ? 峰值功率： 〉 100TW量級 ? 最高平均功率： 〉 MW量級 ? 調(diào)諧范圍：從 200nm延伸到 4?m。 相干光源、非相干光源與激光 —— 非線性相干光源 ? 來源：激光與各種非線性光學(xué)材料相互作用 ? 1961年，美國 Mc. Clung和 Hellwarth 發(fā)明激光調(diào) Q法，開辟道路。 ? 1962年， Woodburg等，受激喇曼激光器 ? 1969年，美國 Patel等，自旋反轉(zhuǎn)喇曼激光， ? 1965年，美國與蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)光參量振蕩，獲得了另一種可調(diào)諧相干光源。 ? 1968年，開始利用鎖模技術(shù)制造超短脈沖激光器 ? 1969年獲得亞皮秒（ 1013秒）光脈沖，現(xiàn) 45飛秒 (1015秒 )激光器已商品化，向阿秒 1018秒）進(jìn)軍。 ? 1970年， Mooradian 等，寬可調(diào)諧范圍高效連續(xù)振蕩自旋反轉(zhuǎn)喇曼激光器。 ? 1971年，美國 Dewey，用光差頻法獲得波長可調(diào)的紅外光源； ? 1972年，日本 俊藤等，用和頻產(chǎn)生出黃光； ? 三次諧波產(chǎn)生、光整流效應(yīng)等也相繼得以實(shí)現(xiàn)。 相干光源、非相干光源與激光 —— 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 ?高速脈沖性 ?方向性 ?可調(diào)諧性 ?高能量密度 ? 激光正是滿足這些條件的最好的光源 ? 光與物質(zhì)相互作用理論 —— 激光產(chǎn)生與傳播基礎(chǔ) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 經(jīng)典電子模型：研究光與物質(zhì)相互作用 微觀 過程的有效方法 可以闡明激光產(chǎn)生及其在激光介質(zhì)或其他介質(zhì)中傳播規(guī)律的物理本質(zhì)， 光電子一般研究光在晶體中的運(yùn)動 —— 光輻射場與周期性變化晶體作用。 1. 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模型 介質(zhì)的極化強(qiáng)度：單位體積中的電偶極矩 P xpP NeN ???式中， N為單位體積中粒子數(shù)。 還可用宏觀物理量 —— 極化率 和介電常數(shù) ε來描述介質(zhì)對光波場的響應(yīng)， 則， P與外加電場 E的關(guān)系： ?jiji EP 0???? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 組成物質(zhì)的原子或分子體系在入射光波的電場下感生電偶極矩，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波輻射。 原子中的外層電子受核和鄰近原子的與位移成正比的庫侖力作用，位移不大時(shí)表示為： xxx 2022?mkdtdm ????K：彈性系數(shù)， x： 電子偏移平衡位置距離， m：電子質(zhì)量， ：電子固有頻率。 電子在原子內(nèi)部的運(yùn)動形成固有頻率為 ?0的等幅簡諧振子，向外輻射電磁波， 輻射場又對電子產(chǎn)生反作用，產(chǎn)生與電子速度成正比的阻尼力； 光波電磁場入射，對阻尼振子施加一個(gè)電磁力作用，電子運(yùn)動方程變?yōu)椋? mk?0?eEdtdxmxmdt xdm ???? ?? 2022不失普遍性，考慮入射光場為簡諧電場情況，則瞬時(shí)電場 E(t)與位置偏移 x(t)為： tiet ?? )()( EE ?tiet ?? )()( xx ?? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 E(ω)、 x(ω)表示對應(yīng)于頻率 ω的振幅值，將 x(t)、 E(t)代入運(yùn)動方程，并求解得： ??????ime????? )()()(220Ex?簡諧振子模型下，電子受迫振動的頻率與驅(qū)動光波頻率相同， ?受迫振動與驅(qū)動光場之間存在相位差（式中含有 項(xiàng)） 由上述過程可知： ??i(1)當(dāng) 時(shí)，電子先吸收少量光能，引起受迫振動，并輻射次波。由 x(ω)表達(dá)式 可以看出，若不考慮 ?，則 x(ω)為有限恒值，電子將吸收的能量全部輻射出去，中間 沒有能量損耗，電子維持等幅振蕩；若考慮 ?，則達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后吸收的能量與發(fā)射 的能量必然達(dá)到平衡，系統(tǒng)維持等幅振蕩，這種過程稱為光的散射。散射中，電子本 征能量不變，形式上只是入射光波與散射光波之間能量轉(zhuǎn)換，稱為光和物質(zhì)的非共振 相互作用過程。 0???(2)當(dāng) 時(shí)，如果不考慮輻射阻尼 ?，則 x(ω)→∞ ；如果考慮 ?，則 x(ω)為有限恒 虛數(shù)值，因而振子都將吸收能量：有 ?時(shí)，吸收的能量用作維持輻射；沒有 ?時(shí)，吸收 的能量用作不斷增大振幅。 時(shí)光與物質(zhì)相互作用的過程稱為受激吸收與再發(fā)射， 即受激發(fā)射，也就是說， 處，初始態(tài)的電子吸收一個(gè)光子躍遷到高能態(tài)，而受 激電子又可放出一個(gè)同頻率的光子回到初態(tài)，這種吸收與再發(fā)射中，電子的本征能態(tài) 將發(fā)生改變，稱為光和物質(zhì)相互作用的共振過程，激光產(chǎn)生過程就屬于共振過程。 0?? ?0???0???? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 各向同性介質(zhì)可看成許多各向同性線性諧振子的集合。在平面光波場作用下， 原子在光場作用下產(chǎn)生感應(yīng)極化，形成電偶極振子： ))(Re( tiee ??pxp ?????????imep???? )()(E)(2202極化介質(zhì)或分子的輻射次波與入射光波的相互干涉決定了光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。 設(shè)單位體積中原子數(shù)為 N，則介質(zhì)極化強(qiáng)度 ])(R e [ tieN ??PpP ??)()()( )()( 02202???????? ?? EEP ????? imNe又 ? ? EEP 00 )()()()()( ?????????? ?????? i? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 則 )()()( 1)( 22002??????????? ????????? iimNe22222022002)()(????????? ??????mNe22222002)()(????????? ?????? mNe諧振相互作用時(shí)，由于 ，并令 ，于是有 )(8)(2 020220 νννπωωωωω ?????π Δ νΔωγ 2??? ? 220000222/)(8)(Δννννννm επNeνχ??????2000224114)(???????? ??????ΔνννΔννm επNeνχ? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 式中 為線寬。不難看出 也是洛侖茲線型函數(shù)，下圖為 、 與頻率 v 的關(guān)系圖。 Δν ??νχ? ??νχ? ??νχ? 事實(shí)上，復(fù)極化率 的實(shí)部 和虛部 都是頻率 v 的函數(shù)，而且均由 相同的材料參數(shù) N、 、 決定。 表示物質(zhì)的吸收與頻率的關(guān)系，而 表示 不同頻率下色散的大小，由圖可見： 在曲線半寬度 的頻率范圍內(nèi)受激吸收較 大，而此區(qū)域內(nèi)， 斜率為負(fù)，因而這一區(qū)域?qū)俜闯Ｉ^(qū)；反之， 之外，斜 率 為正，為正常色散