【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6。 幾種典型的激光器 49 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)使入射光得到放大，是 核心供給工作物質(zhì)能量光抽運(yùn)激光束工作介質(zhì)泵浦源只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來(lái)回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。50最亮的光n 激光以及它的微波兄弟（ maser）來(lái)源于受激原子產(chǎn)生的光子（射線）受激輻射。愛(ài)因斯坦在 1917年預(yù)言了該過(guò)程的存在。今天，激光奠定了很多消費(fèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)，包括指示器、水平儀和 DVD播放機(jī)。1原子在一個(gè)兩端有鏡面的腔體中。原子被注入的能量充能。鏡面 100％ 鏡面 90％原子注入的能量51最亮的光2注入的能量激發(fā)原子，使它們處在高能態(tài)。一些原子會(huì)自發(fā)地放出一個(gè)光子從而回到原來(lái)的非激發(fā)態(tài)。受激原子自發(fā)輻射光子52最亮的光3自發(fā)輻射出的光子可以轟擊受激原子，激發(fā)該原子放出一個(gè)全同的光子。受激原子受激輻射53最亮的光4自這些光子又可以進(jìn)一步從其他受激原子激發(fā)輻射。當(dāng)原子回到原來(lái)狀態(tài)時(shí)，每一個(gè)原子都貢獻(xiàn)出一個(gè)全同的光子。54最亮的光5這些光子從鏡面反射回來(lái)，使它們可以激發(fā)其他原子放出光子。55最亮的光6一些光子從部分透射鏡面逸出，在腔外形成一束相干光。 激光56第二章第二章 激光與半導(dǎo)體光源激光與半導(dǎo)體光源216。 波爾假說(shuō)與粒子數(shù)正常分布216。 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收216。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大216。 激光器的基本結(jié)構(gòu)216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)216。 諧振腔與閾值216。 激光的縱模和橫模 216。 幾種典型的激光器 57 與增益系數(shù)n 光抽運(yùn)可以將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)。在二能級(jí)系統(tǒng)中，由于發(fā)生受激吸收和受激輻射的幾率是相同的（B12=B21），最終只有達(dá)到兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。58 與增益系數(shù)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)59三能級(jí)系統(tǒng)原理n E1為基態(tài)， E E3 為激發(fā)態(tài)，中間能級(jí) E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài) E1的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài) E3上， E1上的粒子數(shù) N1隨之減少。但由于 E3能級(jí)的壽命很短，粒子通過(guò)碰撞很快地以 無(wú)輻射躍遷 的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài) E2上。由于 E2態(tài)壽命長(zhǎng)，其上就累積了大量的粒子，即 N2大于 N1，于是 實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài) E2與基態(tài) E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。60四能級(jí)系統(tǒng)原理n 三能級(jí)激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵(lì)源很強(qiáng)而且抽運(yùn)很快，才可使 N2 N1 ，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。n 四能級(jí)系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個(gè)激發(fā)態(tài) E E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@時(shí)低能級(jí) E1 不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來(lái)就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài) E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達(dá)到 N2 大于 N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級(jí) E2 、 E1 之間產(chǎn)生激光。于是， E3 上的粒子數(shù)向 E2 躍遷 ， E1上的粒子數(shù)向 E0 過(guò)渡，整個(gè)過(guò)程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)， 因而四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)的效率高 。 61如果有一輛車(chē)，小明是司機(jī)，小華坐在他右邊，小花坐在他后面，請(qǐng)問(wèn)，這輛車(chē)是誰(shuí)的？n 不論三能級(jí)系統(tǒng)或四能級(jí)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須 內(nèi)有亞穩(wěn)態(tài)，外有激勵(lì)源（泵浦），粒子的整個(gè)輸運(yùn)過(guò)程必定是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的非平衡過(guò)程。 激活介質(zhì)的作用就是提供亞穩(wěn)態(tài)。 所謂三能級(jí)或四能級(jí)圖，并不是激活介質(zhì)實(shí)際能級(jí)圖，它們只是對(duì)造成反轉(zhuǎn)分布的整個(gè)物理過(guò)程所作的 抽象概括 。實(shí)際能級(jí)圖要比這復(fù)雜，而且一種激活介質(zhì)內(nèi)部，可能同時(shí)存在幾對(duì)待定能級(jí)間反轉(zhuǎn)分布，相應(yīng)地發(fā)射幾種波長(zhǎng)的激光。 62n 在激活介質(zhì)中，個(gè)別處于高能級(jí)的粒子自發(fā)輻射頻率為 γ的光通過(guò)該介質(zhì)中傳播。由于這時(shí)激活介質(zhì)已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以頻率為 γ的光通過(guò)該介質(zhì)后將獲得增益，越來(lái)越強(qiáng)。0Z Z+dZI0I介質(zhì)的增益I(z)+dI(z)I(z)63n 設(shè)在激活介質(zhì) Z 處光強(qiáng)為 I（ Z） ，經(jīng) dZ 距離后， I（ Z）的改變量為 dI(Z)，則有： 增益系數(shù)，表示介質(zhì)對(duì)光的放大能力。 設(shè)在光的傳播過(guò)程中 G不變，將上式積分后得：n 即 I（ Z） 將隨著傳播距離 Z 的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。式中 I0（ Z） 為 Z=0處的光強(qiáng)。 64252。 增益 G 的大小與頻率γ 和光強(qiáng) I 都有關(guān)系。它隨光強(qiáng)的增加而下降。這一點(diǎn)可解釋為： 增益 G 隨粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度（ N2N1）的增加而上升，在同樣的抽運(yùn)條件下，光強(qiáng) I 越強(qiáng)，意味著單位時(shí)間內(nèi)從亞穩(wěn)態(tài)上向下躍遷的粒子數(shù)就越多，從而導(dǎo)致反轉(zhuǎn)程度減弱，因此增益也隨之下降。 GI2I1增益曲線I2 I165作業(yè) n 玻爾假說(shuō)及玻爾頻率條件n 說(shuō)明三種躍遷過(guò)程（最好有圖示）n 什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？n 激光器的結(jié)構(gòu)及各部分的功能。n 愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系。n 為什么四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)效率高？66第二章第二章 激光與半導(dǎo)體光源激光與半導(dǎo)體光源216。 波爾假說(shuō)與粒子數(shù)正常分布216。 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收216。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大216。 激光器的基本結(jié)構(gòu)216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)216。 諧振腔與閾值諧振腔與閾值216。 激光的縱模和橫模 216。 幾種典型的激光器 67 諧振與閾值 n 有了激活介質(zhì)和諧振腔還不一定能輸出激光， 因?yàn)椋? 216。 激活介質(zhì)使光得到增益，光強(qiáng)變大； 216。 光在端面上的反射、透射等，會(huì)產(chǎn)生光能損耗，使光能變小。 若光的增益小于其損耗，就沒(méi)有激光輸出。因此，必須使增益大于損耗，光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射時(shí)，其光強(qiáng)才能不斷增大，最后才有穩(wěn)定的激光輸出。 68 諧振與閾值M1(R1,T1) M2(R2,T2)LI1反射率分別為 R R2，透射率分別為 T T2 69 諧振與閾值p 要使光在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的增益大于其損耗，則必須保證： R2R1I1exp(2GL)≥I1,即 R2R1exp(2GL)≥1 ()p 對(duì)于給定的諧振腔 R R2， L是一定的。從上式可見(jiàn)， 要使其左端大于或等于 1，必須使增益系數(shù) G大于某個(gè)最低值 Gm，這個(gè)使（ ）式成立的 Gm值，就是諧振腔的閾值增益。（ ）式稱(chēng)為諧振腔的閾值條件。 70 諧振與閾值n 由此可得諧振腔的閾值增益為： 實(shí)際上，在 GGm 時(shí)，隨著光強(qiáng)的增大，工作物質(zhì)的實(shí)際增益 G 將下降，直至 G=Gm 時(shí)，光強(qiáng)就維持穩(wěn)定。 71 諧振與閾值n 綜上所述，形成激光的必要條件有兩個(gè)：216。 在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布216。 激光器必須滿(mǎn)足閾值條件 72第二章第二章 激光與半導(dǎo)體光源激光與半導(dǎo)體光源216。 波爾假說(shuō)與粒子數(shù)正常分布216。 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收216。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大216。 激光器的基本結(jié)構(gòu)216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)216。 諧振腔與閾值216。 激光的縱模和橫模激光的縱模和橫模 216。 幾種典型的激光器 73 n諧振腔的作用：l 使激光具有很好的方向性（沿軸線） ；l 使激光具有極好的單色性（頻率選擇器）；l 增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）。 74縱模形成示意圖12375n 光波在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，腔內(nèi)存在著反向傳播的兩列相干波，當(dāng)其波長(zhǎng)滿(mǎn)足干涉相干條件時(shí)，就以駐波形式在腔內(nèi)穩(wěn)定存在。即 式中 L 為腔長(zhǎng)， n 為工作物質(zhì)的折射率。 k 為正整數(shù)，表示腔內(nèi)的波節(jié)數(shù)和波腹數(shù)。 上式說(shuō)明，只有滿(mǎn)足這個(gè)頻率關(guān)系的光波，才能以駐波形式存在于諧振腔中。 76n 一般地說(shuō)，由于腔長(zhǎng) L 遠(yuǎn)大于 λ，所以 k 的取值不只一個(gè)，因而滿(mǎn)足上述關(guān)系的頻率也不只一個(gè)。而那些不滿(mǎn)足這個(gè)頻率關(guān)系的光波，就不能形成駐波，即不能產(chǎn)生諧振，也就不能形成激光。從（ ）式可見(jiàn)， 腔長(zhǎng) L 起著對(duì)頻率的選擇作用。 77n 分別對(duì) ()式和 ()式微分，可得相鄰兩個(gè)諧振的波長(zhǎng)差和頻率差。 78252。 諧振頻率是一系列分離的頻率，其間隔 Δvk 稱(chēng)為縱模間隔。但這只是諧振腔允許的頻率，其中只有落在激活介質(zhì)所發(fā)射的譜線的線寬范圍 Δv 內(nèi)，并同時(shí)滿(mǎn)足閾值條件的那些諧振頻率，才能形成激光，成為縱模頻率。252。 從激光器輸出的頻率個(gè)數(shù) N (即縱模數(shù) )，由激活介質(zhì)的頻寬 Δv 和縱模間隔 Δvk 的比值決定，即： 上式 說(shuō) 明，激活介 質(zhì)發(fā) 射的 譜線頻寬 Δv 越大，可能出現(xiàn)的縱模數(shù) N 越多；而縱模間隔 Δvk 越小 (即腔長(zhǎng) L 越大 )，在同樣的頻寬內(nèi)可容納的縱模數(shù)越多 。79例： HeNe激光器的 氖 放 電 管中， 頻 率 為的 譜線頻寬為若激光器腔 長(zhǎng) L=30cm，由 ()式可得其 縱 模 頻 率 間 隔所以 長(zhǎng) 30cm的 HeNe激光管 輸 出的 縱 橫數(shù) 為 ： 這種激光器稱(chēng)為縱模 (或多頻 )激光器。若腔長(zhǎng) L=10cm，則 =109HZ，于是 N=(109)/(109)=1，即在長(zhǎng) 10cm的 HeNe激光器中，雖然滿(mǎn)足諧振條件的頻率很多，但形成的激光只有一個(gè)頻率，這種激光器稱(chēng)為單縱橫 (或單頻 )激光器。 80n 設(shè)氦氖激光器 Ne 原子的 受激輻射光的譜線寬度為 ⊿ ν 81n 在 ⊿ ν 區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為 82 要想減少輸出縱模的個(gè)數(shù)，甚至實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，可采取一些措施。例如，短腔法選縱模。利用縮短腔長(zhǎng) L 來(lái)加大縱模頻率間隔的方法，可以使區(qū)間中只存在一個(gè)縱模頻率。83n 激光的縱模： 光場(chǎng)沿軸向傳播的振動(dòng)模式稱(chēng)為縱模。n 激光的橫模： 激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布稱(chēng)為激光的橫模。 激光橫模形成的主要因素是諧振腔兩端反射鏡的衍射作用。 84橫模的形成L2a85激光橫模變換演示儀86n 用接收屏觀察激光器輸出光束屏上形成的光班圖形。圖 29是激光的幾種橫模圖形，按其對(duì)稱(chēng)性可分為軸對(duì)稱(chēng)橫模圖 29(a)和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橫模圖 29(b)。 軸對(duì)稱(chēng) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)(a)TEM00 (b)TEM10 (c)TEM13 (d)TEM11(e)TEM00 (f)TEM03 (g)TEM1087216。 激光的模式一般用 TEMmnk表示， TEM是電磁橫波的縮寫(xiě)， k為縱模數(shù)。在軸對(duì)稱(chēng)橫模中， m,n分別表示光束橫截面內(nèi)在 x方向和 y方向出現(xiàn)的暗區(qū)（即節(jié)點(diǎn)）數(shù)，如 TEM13，在x方向有 1個(gè)暗區(qū)，在 y方向有 3個(gè)暗區(qū)；在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橫模中， m表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)， n表示圓中出現(xiàn)的暗直徑數(shù)。如 TEM03，圖中無(wú)暗環(huán)，有三條暗直徑。88216。 激光的縱模和橫模，實(shí)際上是從不同的側(cè)面反映了諧振腔所允許的光場(chǎng)的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布。 在實(shí)際應(yīng)用中，希望激光的橫向光強(qiáng)分布越均勻越好，而不希望出現(xiàn)高階模。欲獲得相干性良好的光束集中的激光，選模工作很重要。選模的方法很多，例如，除調(diào)節(jié)反射鏡外，在腔內(nèi)（或腔外）放一小孔，只讓 TEM00模通過(guò)，抑制其他低次級(jí)模的產(chǎn)生。 89第二章第二章 激光與半導(dǎo)體光源激光與半導(dǎo)體光源216。 波爾假說(shuō)與粒子數(shù)正常分布216。 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收216。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大216。 激光器的基本結(jié)構(gòu)216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)216。 諧振腔與閾值216。 激光的縱模和橫模 216。 幾種典型的激光器幾種典型的激光器 90 幾種典型的激光器幾種典型的激光器n 一種是從激活介質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)面分類(lèi)。這樣可分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器。n 氣體激光器的單色性強(qiáng)，如氦 氖激光器的單色性比普通光源要高 1億倍，而且氣體激光器工作物質(zhì)種類(lèi)繁多，因此可產(chǎn)生許多不同頻率的激光。 但是，由于氣體密度低，激光輸出功率相應(yīng)較??；n 固體激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質(zhì)種類(lèi)較少，而且單色性差；n 液體激光器的最大特點(diǎn)是激光的波長(zhǎng)可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。 這種激光器特別適合于對(duì)激光波長(zhǎng)有著嚴(yán)格要求的場(chǎng)合；n 半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)則是體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出的功率較小，單色性也較差。 n 另一種分類(lèi)方式是按激活介質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)，可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。n 氦 氖激光器產(chǎn)生的激光是由氖原子發(fā)射的；n 紅寶石激光器產(chǎn)生的激光則是由鉻離子發(fā)射的；n 另外還有二氧化碳分子激光器，它