【文章內(nèi)容簡介】 6。 幾種典型的激光器 49 激光器的基本結構激光器的基本結構使入射光得到放大，是 核心供給工作物質(zhì)能量光抽運激光束工作介質(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）來源于受激原子產(chǎn)生的光子（射線）受激輻射。愛因斯坦在 1917年預言了該過程的存在。今天，激光奠定了很多消費產(chǎn)品的基礎，包括指示器、水平儀和 DVD播放機。1原子在一個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)。一些原子會自發(fā)地放出一個光子從而回到原來的非激發(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一步從其他受激原子激發(fā)輻射。當原子回到原來狀態(tài)時，每一個原子都貢獻出一個全同的光子。54最亮的光5這些光子從鏡面反射回來，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 激光與半導體光源激光與半導體光源216。 波爾假說與粒子數(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)反轉與光放大216。 激光器的基本結構216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉與增益系統(tǒng)激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉與增益系統(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 光抽運可以將粒子從低能級抽運到高能級。在二能級系統(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），最終只有達到兩個能級的粒子數(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)59三能級系統(tǒng)原理n E1為基態(tài)， E E3 為激發(fā)態(tài)，中間能級 E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài) E1的粒子被抽運到激發(fā)態(tài) E3上， E1上的粒子數(shù) N1隨之減少。但由于 E3能級的壽命很短，粒子通過碰撞很快地以 無輻射躍遷 的方式轉移到亞穩(wěn)態(tài) E2上。由于 E2態(tài)壽命長，其上就累積了大量的粒子，即 N2大于 N1，于是 實現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài) E2與基態(tài) E1間的粒子數(shù)反轉分布。60四能級系統(tǒng)原理n 三能級激光器的效率不高，原因是抽運前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵源很強而且抽運很快，才可使 N2 N1 ，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。n 四能級系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個激發(fā)態(tài) E E1之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。因為這時低能級 E1 不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài) E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達到 N2 大于 N1，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，在能級 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 過渡，整個過程容易形成連續(xù)反轉， 因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高 。 61如果有一輛車，小明是司機，小華坐在他右邊，小花坐在他后面，請問，這輛車是誰的？n 不論三能級系統(tǒng)或四能級系統(tǒng)，要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉必須 內(nèi)有亞穩(wěn)態(tài)，外有激勵源（泵浦），粒子的整個輸運過程必定是一個循環(huán)往復的非平衡過程。 激活介質(zhì)的作用就是提供亞穩(wěn)態(tài)。 所謂三能級或四能級圖，并不是激活介質(zhì)實際能級圖，它們只是對造成反轉分布的整個物理過程所作的 抽象概括 。實際能級圖要比這復雜，而且一種激活介質(zhì)內(nèi)部，可能同時存在幾對待定能級間反轉分布，相應地發(fā)射幾種波長的激光。 62n 在激活介質(zhì)中，個別處于高能級的粒子自發(fā)輻射頻率為 γ的光通過該介質(zhì)中傳播。由于這時激活介質(zhì)已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，所以頻率為 γ的光通過該介質(zhì)后將獲得增益，越來越強。0Z Z+dZI0I介質(zhì)的增益I(z)+dI(z)I(z)63n 設在激活介質(zhì) Z 處光強為 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)對光的放大能力。 設在光的傳播過程中 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。式中 I0（ Z） 為 Z=0處的光強。 64252。 增益 G 的大小與頻率γ 和光強 I 都有關系。它隨光強的增加而下降。這一點可解釋為： 增益 G 隨粒子數(shù)反轉程度（ N2N1）的增加而上升，在同樣的抽運條件下，光強 I 越強，意味著單位時間內(nèi)從亞穩(wěn)態(tài)上向下躍遷的粒子數(shù)就越多，從而導致反轉程度減弱，因此增益也隨之下降。 GI2I1增益曲線I2 I165作業(yè) n 玻爾假說及玻爾頻率條件n 說明三種躍遷過程（最好有圖示）n 什么是粒子數(shù)反轉？n 激光器的結構及各部分的功能。n 愛因斯坦系數(shù)之間的關系。n 為什么四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)效率高？66第二章第二章 激光與半導體光源激光與半導體光源216。 波爾假說與粒子數(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)反轉與光放大216。 激光器的基本結構216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉與增益系統(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， 因為： 216。 激活介質(zhì)使光得到增益，光強變大； 216。 光在端面上的反射、透射等，會產(chǎn)生光能損耗，使光能變小。 若光的增益小于其損耗，就沒有激光輸出。因此，必須使增益大于損耗，光在諧振腔內(nèi)來回反射時，其光強才能不斷增大，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 要使光在這個過程中產(chǎn)生的增益大于其損耗，則必須保證： R2R1I1exp(2GL)≥I1,即 R2R1exp(2GL)≥1 ()p 對于給定的諧振腔 R R2， L是一定的。從上式可見， 要使其左端大于或等于 1，必須使增益系數(shù) G大于某個最低值 Gm，這個使（ ）式成立的 Gm值，就是諧振腔的閾值增益。（ ）式稱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： 實際上，在 GGm 時，隨著光強的增大，工作物質(zhì)的實際增益 G 將下降，直至 G=Gm 時，光強就維持穩(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：216。 在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布216。 激光器必須滿足閾值條件 72第二章第二章 激光與半導體光源激光與半導體光源216。 波爾假說與粒子數(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)反轉與光放大216。 激光器的基本結構216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉與增益系統(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 增強光放大作用（延長了工作物質(zhì)）。 74縱模形成示意圖12375n 光波在兩個反射鏡之間來回反射，腔內(nèi)存在著反向傳播的兩列相干波，當其波長滿足干涉相干條件時，就以駐波形式在腔內(nèi)穩(wěn)定存在。即 式中 L 為腔長， 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)。 上式說明，只有滿足這個頻率關系的光波，才能以駐波形式存在于諧振腔中。 76n 一般地說，由于腔長 L 遠大于 λ，所以 k 的取值不只一個，因而滿足上述關系的頻率也不只一個。而那些不滿足這個頻率關系的光波，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， 腔長 L 起著對頻率的選擇作用。 77n 分別對 ()式和 ()式微分，可得相鄰兩個諧振的波長差和頻率差。 78252。 諧振頻率是一系列分離的頻率，其間隔 Δvk 稱為縱模間隔。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)，并同時滿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 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 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 L=30cm，由 ()式可得其 縱 模 頻 率 間 隔所以 長 30cm的 HeNe激光管 輸 出的 縱 橫數(shù) 為 ： 這種激光器稱為縱模 (或多頻 )激光器。若腔長 L=10cm，則 =109HZ，于是 N=(109)/(109)=1，即在長 10cm的 HeNe激光器中，雖然滿足諧振條件的頻率很多，但形成的激光只有一個頻率，這種激光器稱為單縱橫 (或單頻 )激光器。 80n 設氦氖激光器 Ne 原子的 受激輻射光的譜線寬度為 ⊿ ν 81n 在 ⊿ ν 區(qū)間中，可以存在的縱模個數(shù)為 82 要想減少輸出縱模的個數(shù)，甚至實現(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 L 來加大縱模頻率間隔的方法，可以使區(qū)間中只存在一個縱模頻率。83n 激光的縱模： 光場沿軸向傳播的振動模式稱為縱模。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)定光場分布稱為激光的橫模。 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，按其對稱性可分為軸對稱橫模圖 29(a)和旋轉對稱橫模圖 29(b)。 軸對稱 旋轉對稱(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， k為縱模數(shù)。在軸對稱橫模中， 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）數(shù)，如 TEM13，在x方向有 1個暗區(qū)，在 y方向有 3個暗區(qū)；在旋轉對稱橫模中， 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，圖中無暗環(huán)，有三條暗直徑。88216。 激光的縱模和橫模，實際上是從不同的側面反映了諧振腔所允許的光場的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布。 在實際應用中，希望激光的橫向光強分布越均勻越好，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，抑制其他低次級模的產(chǎn)生。 89第二章第二章 激光與半導體光源激光與半導體光源216。 波爾假說與粒子數(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)反轉與光放大216。 激光器的基本結構216。 激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉與增益系統(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。這樣可分為氣體、液體、固體和半導體激光器。n 氣體激光器的單色性強，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，激光輸出功率相應較小；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)種類較少，而且單色性差；n 液體激光器的最大特點是激光的波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。 這種激光器特別適合于對激光波長有著嚴格要求的場合；n 半導體激光器的特點則是體積小，重量輕，結構簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差。 n 另一種分類方式是按激活介質(zhì)的粒子結構來分類，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