1-4 激光的基本学问.ppt

* * 1-4 激光的基本知识 1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般人平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直到1960年，第一台红宝石激光器才面世它标志了激光技术的诞生。 从此激光技术的发展十分迅速，现已在几百种工作物质中实现了光放大或制成了激光器。 Einstein 激光应用于工业、农业、军事、交通、科研以至日常生活等几乎所有的国民经济领域。它大大丰富了传统光学的内容，并发展形成了数门，乃至数十门新型的边缘科学。 本节介绍激光产生的最基本的原理、激光器的基本结构以及激光工作物质的能级系统等基础知识。 一、激光产生的基本原理 受激辐射光放大： 在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。 受激辐射产生的光子是相干的。常温条件或对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级E1的粒子数密度n1大于处于上能级E2的粒子数密度n2。此时当有频率等于ν=（E2-E1）/h的一束光通过发光物质时，受激吸收将大于受激辐射，故光强减弱。 粒子数反转：如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把出入下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可以使上能级E2的粒子数密度超过下能级E1的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。 激光放大器的基本原理：只要使发光物质处在粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收。当频率为ν的光束通过发光物质，光强就会得到放大。这便是激光放大器的基本原理。 激光振荡器或简称激光器的基本原理：即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光存在，便可象连锁反应一样，迅速产生大量相同的光子，形成激光。这就是激光振荡器或简称激光器的基本原理。 因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能量，我们称之一过程为激励、抽运或者泵浦。 二、激光器构造 激光工作物质 泵浦源 光学谐振腔 （一）激光工作物质 激活粒子：为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成粒子数反转的发光粒子。激活粒子可以是分子、原子或离子 基质：这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中。为了激活粒子提供寄存场所的材料成为基质，它们可以是固体或液体。 基质+激活粒子=激光工作物质 （二）泵浦源 定义：为了形成粒子数反转，须要对激光工作物质进行激励，完成这一任务的是泵浦源。 不同的激光工作物质往往采取不同的泵浦源。例如，固体激光器一般是用普通光源如氙灯作泵浦源，对激光工作物质进行光照，又称光泵。对于气体激光工作物质，常常是将它们密封在细玻璃管内，两端加电压，通过放电的方法来进行激励。 （三）光学谐振腔 仅仅使激光工作物质处于粒子数反转状态，虽可获得激光，但它的寿命很短，强度也不会太高，并且光波模式多、方向性很差。这样的激光几乎没有什么是用价值。为了得到稳定持续、有一定功率的高质量激光输出，激光器还必须有一个光学谐振腔。它是由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成，其中之一是全反射镜，另一个作为输出镜使用，是部分反射、部分透射的半反射镜。 光学谐振腔的作用主要有以下两个方面： 1. 产生于维持激光振荡。光在粒子数反转的激光工作物质中传播时得到光放大，由于光学谐振腔的存在，一方面在它提供的光学正反馈作用下，腔内光子数因不断往返通过激光工作物质而被放大；另一方面由于谐振腔存在各种损耗（如输出损耗、衍射损耗、吸收与散射损耗等），腔内光子数有不断减少。当放大与衰减互相抵消时，就可以形成稳定的光振荡，输出功率稳定的激光。 2. 改善输出激光的质量。由于激光束的特性与谐振腔的结构有着不可分割的联系，因此可以通过改变腔参数的方法达到控制光束特性的目的，如提高激光的方向性、单色性、输出功率等。 三、激活粒子的能级系统 产生激光的必要条件是实现粒子数反转，而为了实现粒子数反转就必须要有适合的能级系统的激活粒子。在这些激活粒子的能级系统中，首先必须要有激光上能级和激光下能级，除此之外，往往还需有一些与产生激光有关的其它能级。 常用激光器的激活粒子能级系统大致可分为两大类：三能级系统与四能级系统。 （一）三能级系统 下图画出了两种三能级系统的示意图。 非辐射跃迁：指不发射光子的跃迁，它是通过释放其它形式的能量如热能而完成的。 （a）图中：E1为基态，作为激光下能级；E3能级的寿命很短，激活