第二讲 激光原理 激光器基本结构
第2章激光基本原理优秀PPT
都表示光场的一种分布，也就是光波的一种模式，或称一种
波型。
讨论光在如图2.1所示的体积为V的各向同性介质中运动时，
可能存在的模式数目
分三种情况讨论
1.在偏振和频率都是一定的情况下，因传播方向不同，
可能存在的模式数目。
对应于从尺度为d的光源发出的波长为λ的光，因衍射限制，在R处
h
Px Py P
(2-20)
c
因为∆很小，故有 ≈ ，所以，∆PZ 的测不准量主要来自频率的测不准量
h
Pz P
(2-21)
c
根据前述的光子态在相空间的体积为 xyzP P P
x
y
z
h
3
h3
c3
xyz
2
VCS
来确定光子的一种状态
在六维相空间（x，y，z，Px，Py，Pz）内，光子的一种状态
所对应的相空间体积元为
上述相空间体积元称为相格。
相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子以动量Px，Py，Pz组成的动量空间内，它的一种运动状态占
据动量空间的体积元
由（2-13）得
上式中的V= ΔxΔyΔz是光子运动的体积。
第2章激光基本原理
【学习目标】
掌握有关激光的基本原理及研究有
关问题的思路和方法，了解激光器
的基本结构、各种类型激光器
【学习要求】
☞ 熟悉光子的基本性质，光波模式、光子态、相
干体积、相格等概念，理解光的相干性
☞ 掌握光的受激辐射概念、爱因斯坦系数之间关
系，理解光的自激振荡，掌握激光振荡条件
第2章 激光器的工作原理
2.2.3 稳态工作时的粒子数密度反转分布
1. 在抽运和跃迁达到动平衡时，各能级上粒子数密度并不随时 间而改变，即： dn0 dn1 dn2
dt = dt = dt =0
假设能级E2、E1的简并度相等，即ห้องสมุดไป่ตู้1=g2，因此有B12=B21，又认 为E2能级向E1能级的自发跃迁几率远大于E2能级向基态E0的自 发跃迁几率，即A2≈A21 则有：
知：
∆n 0 = R2τ 2 − ( R1 + R2 )τ 1
它是当分母中的第二项为零时的粒子数密度反转分布值。 而分母中的第二项一定是个正值，因此它又是粒子数密度 反转分布值可能达到的最大值。显然只有在谐振腔中传播 的单色光能密度可能趋近于零，换句话说，参数 ∆n0 对应着 谐振腔的单色光能密度为零或者近似为零时的粒子数密度 反转分布的大小。 对应着激光谐振腔尚未发出激光时的状态 激光谐振腔尚未发出激光时的状态， 参数 ∆n0 对应着激光谐振腔尚未发出激光时的状态，通常把 这个状态叫作小信号工作状态， 就被称作是小信 这个状态叫作小信号工作状态，而参数∆n0 就被称作是小信 号工作时的粒子数密度反转分布。 号工作时的粒子数密度反转分布。
图(2-6)）∆n的饱和效应曲线
2.2.6 均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应
为了更具体地说明频率对∆n的影响，令腔中光强都等于Is，算 出几个频率下的∆n值。如下表所示。随着频率对中心频率的偏 离，光波对粒子数密度反转分布值的影响逐渐减小。
2.2.2 速率方程组
1. 图为简化的四能级图，n0、n1、n2分别为基态、下能级、上能级的粒子数密度； n为单位体积内增益介质的总粒子数，R1、R2分别是激励能源将基态E0上的粒子抽 运到E1、E2能级上的速率；则E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为：
光纤激光器的基本结构和工作原理
光纤激光器的基本结构和工作原理一、光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种利用光纤作为光学谐振腔的激光器。
它由光纤、泵浦光源、谐振腔和输出耦合器件组成。
1. 光纤：光纤作为光传输的介质，具有较高的光学质量和较低的损耗。
它通常由二氧化硅或氟化物等材料制成。
2. 泵浦光源：泵浦光源是提供激发能量的装置，常见的泵浦光源有半导体激光器、氘灯等。
泵浦光源通过能级跃迁将电能转化为光能，将光纤中的掺杂物激发至激发态。
3. 谐振腔：谐振腔是产生激光放大的空间，由两个反射镜构成，其中一个是部分透射的输出耦合镜。
谐振腔中的光纤被反射镜反射多次，形成光学谐振，增强光的幅度。
4. 输出耦合器件：输出耦合器件是将放大的激光从谐振腔中输出的装置，常见的输出耦合器件有反射镜、光栅等。
它通过调节输出耦合器件的透射率，实现激光的输出。
二、光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理是基于激光的受激辐射过程。
其工作过程主要可以分为三个步骤：泵浦、光放大和激射。
1. 泵浦：泵浦光源产生的高能量光通过耦合装置输入光纤，激发光纤中的掺杂物（如铥、镱、铍等）的原子或离子跃迁到激发态，形成一个能级反转。
2. 光放大：光纤中的激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子经过多次反射，在谐振腔中不断放大，形成光的增强。
3. 激射：当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射。
激射的激光经过输出耦合器件，部分透射出光纤，形成激光输出。
光纤激光器的工作原理可以通过能级图来解释。
在泵浦过程中，泵浦光源提供的能量使得光纤中的掺杂物原子或离子跃迁到激发态。
在光放大过程中，激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子通过多次反射，在谐振腔中不断受到增益介质的放大。
当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射，形成激光输出。
光纤激光器具有很多优点，如小型化、高效率、高质量光束、稳定性好等。
激光器基本结构
激光器基本结构一、激光器的基本原理激光器是一种能够产生高强度、高单色性的光束的装置。
它的核心部分是一个能够产生受激辐射的介质，通常采用激光介质，如Nd:YAG晶体或CO2气体等。
当这个介质被能量激发时，它会放出一束相干的光束。
二、激光器的基本结构1. 激发源：用于提供能量以激发介质产生受激辐射。
通常采用电子束、闪光灯和半导体等。
2. 激光介质：用于产生受激辐射的物质，通常采用固态、液态或气态介质。
3. 光学谐振腔：由两个反射镜组成，其中一个为半透明镜。
它们将产生的光束反复反射在内部形成一条相干且强度增强的光线。
4. 准直系统：用于控制输出光束方向和形状，通常由透镜和棱镜组成。
5. 输出窗口：将准直后的光线引出谐振腔，输出到外界。
三、激光器的工作原理1. 激发介质：激光器的激发源提供能量，使介质中的原子或分子进入高能态。
2. 受激辐射：当介质中的原子或分子处于高能态时，它们会受到外界光线的刺激，并发生受激辐射，产生相干光束。
3. 谐振腔：产生的相干光束在谐振腔内反复反射，形成一条强度增强、相干性好的光线。
4. 输出：准直系统控制输出光线方向和形状，通过输出窗口将光线引出谐振腔。
四、常见的激光器类型1. 固态激光器：采用固体介质，如Nd:YAG晶体等。
2. 气体激光器：采用气体介质，如CO2气体等。
3. 半导体激光器：采用半导体材料作为介质。
4. 其他类型：还包括自由电子激光器、化学气相激光器等。
五、应用领域1. 制造业：激光器在制造业中广泛应用，如激光切割、激光打标等。
2. 医疗领域：激光器在医疗领域中常用于手术、皮肤美容等。
3. 通信领域：激光器在通信领域中被用于传输信息。
4. 科学研究：激光器在科学研究中也有广泛的应用，如原子物理实验等。
六、发展趋势1. 激光器技术将继续发展，产生更高功率和更高质量的激光束。
2. 激光器应用领域将不断扩大，特别是在智能制造和高精度加工等方面。
3. 激光器将成为未来通信、医疗和科学实验的重要工具。
说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理
说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理激光器是一种能够产生单色、高亮度、高定向性的光束的装置。
它的基本组成主要包括激光介质、泵浦源、光学反馈装置和输出耦合装置等。
激光介质是激光器中最关键的部分，它是产生激光的核心。
激光介质通常是一种高度浓缩的气体、液体或固体材料，当它受到泵浦源的能量输入时，激发介质中的原子或分子从基态跃迁到激发态，产生光辐射并逐渐放大形成激光。
泵浦源通常使用强光脉冲或高电压放电等方式，将能量输入到激光介质中。
光学反馈装置主要是由反射镜和激光介质构成的，利用这些装置将激发的光反复地在激光介质中反射，逐渐放大光的强度，最终形成一束高亮度、高定向性的激光束。
输出耦合装置则是将激光束从激光器中输出的装置，它通常是由一个反射镜和透镜构成的。
产生激光的基本原理是受激辐射。
当激光介质中的原子或分子受到外界的能量输入时，它们从基态跃迁到激发态，处于激发态的原子或分子会受到周围激光辐射的刺激，从而再次跃迁到基态并放出能量。
这些放出的能量与初始能量的相位一致，形成了一束相干光，并通过光学反馈装置逐渐放大形成激光。
由于激发态的原子或分子只在一个非常短的时间内存在，因此激光器所产生的激光通常是脉冲性的。
- 1 -。
激光原理与技术--第二章 激光器的工作原理
0.3GHz
q
2L
q
2 5 101 m 6.328107 m
1.5803106
q 1.5 10 9 Hz 5 310 8 Hz
34
第三十四页，共60页。
激光的产生
激光振荡示意图
35
第三十五页，共60页。
❖ 三能级系统
粒子数反转激励条件
激光的产生有三个能级
E 下能级，基态能级： 1
上能级，亚稳态能级:
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
四能级1
=
S32
S32 +A30
+A31
优质红宝石: 0.7
钕玻璃: 0.4
50
纵模的频率间隔：
q
q1
q
C
2L
18
第十八页，共60页。
腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的
激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图
19
第十九页，共60页。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
q 0.5109 Hz
❖ L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器
L=10厘米的He-Ne气体激光器
q 1.5109 Hz
L=30厘米的He-Ne气体激光器
21 第二十一页，共60页。
激光谐振腔内低阶纵模分布示意图
22 第二十二页，共60页。
激光纵模分布示意图
光电子技术电子课件-激光器的结构及工作原理
2.工作物质
• 在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原
子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激 励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激 光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产 生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的 工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所 讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是 说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所 有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统。
9
• 当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与
稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发
地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的
，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生
受激辐射。从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽
管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积
增益媒质，它可以是气体、液体、固体或半导体
。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括
从真空紫外线到远红外线，非常广泛。在这种介
质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必
要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数
反转世非常有利的。激光工作物质的主要要求，
是尽可能在其工作粒子特定能级间实现较大程度
的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射过
12
激励的方法很多，一般可以用气体放电的方 法来利用具有动能的电子去激发介质原子， 称为电激励，如图a;也可以用脉冲光源来照射 工作介质，称为光激励，如图b。
a.气体放电激励
b.光激励
13
利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片 、高能粒子或放射线来激励工作物质并 实现粒子数反转叫核能激励。还有热激 励、化学激励等。各种激励方式被形象 地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光 输出，必须不断地“泵浦”以维持处于 上能级的粒子数比下能级多。
激光原理-激光器基本结构
粒子数反转 (population inversion) 从E2→E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能 引起吸收过程。
dN21 dt
受激
B21
,T
N2
W21 N 2
dN12 dt
吸收
B12
,T
N1
W12 N1
产生激光必须 dN21 dN12 dt 受激 dt 吸收
694.3 nm
基态
(2)氦氖激光器
全反射镜
内腔式 部分反射镜
阳极
毛细管
阴极
E4
激发态 无辐射跃迁
泵 E3
亚稳态
浦 E2
E!
基态
氦氖原子能级
布儒斯特窗
布儒斯特窗
球面反 阳极 射镜
外腔式
阴极 球面半 反射镜
受激辐射过程
外来光子满足频率条件:
(E2 E1) / h
趋近高能级E2上的粒子时
发射一个全同光子 (频率相同、
传播方向相同、 偏振方向相同）
感应跃迁至低能级E1
光放大
受激吸收过程（stimulated absorption ）
E2 N2
h
E1 N1
上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：
至低能级;
E2
E2 E1
h
E1
②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁
至高能级.
E2
E1
3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)
4.激发态的平均寿命 τ : 粒子在激发态停留时间的平均值τ的
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E3 E2 E1
Postgraduate
Postgraduate
n
能级: 粒子的内部能量值 高能级: 能量较高的能级 : 低能级: 能量较低的能级 : 基能级: 能量最低的能级 : (相应的状态称基态） ） 激发能级: 能量高于基 : 能级的其它所有能级(相 应状态称激发态) 激发态
∞ 6 5 4 3 2
Postgraduate
自发辐射过程(spontaneous radiation) 自发辐射过程 E2
N2 hν
E1
N1
单位体积中处于E 能级的原子数。 设 N1 、N2 — 单位体积中处于 1 、E2 能级的原子数。 单位体积中单位时间内， 的原子数： 单位体积中单位时间内， 从E2 → E1自发辐射 的原子数：
dN 21 ∝ N2 dt 自发
Postgraduate
写成等式
dN21 = A21N2 dt 自发
Ａ21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐 自发辐射系数，
射过程的概率。 射过程的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、 各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相 干光 。
Postgraduate
受激辐射过程
外来光子满足频率条件: 外来光子满足频率条件: ν = ( E2 − E1 ) / h 趋近高能级E 趋近高能级E2上的粒子时
发射一个全同光子 (频率相同、 频率相同、 传播方向相同、 传播方向相同、 偏振方向相同） 偏振方向相迁至低能级E1
其中
∆N = N 2 − N1
称为反转粒子数。 称为反转粒子数。 反转粒子数
Postgraduate
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
受激吸收总是占优势 为得到光放大,必须使 为得到光放大 必须使 受激辐射占优势 粒子数分布反转 N2 >> N1
N1
热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布 热平衡时， 玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律: 高 能 级 低 能 级
N2 =e N1
E E2 E1
− ( E 2 − E1 )
N2
kT
N1
N2
N1
N
Postgraduate
光与物质相互作用的三种过程
爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点 出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程： 自发辐射 受激辐射 受激吸收
一般， 一般，能级寿命 10-8 ∼ 10-9 S 如H原子 2p态 τ ∼ 0.16×10-8 S 原子 态 3p态 τ ∼ 0.54×10-8S 态 亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 亚稳态： (20.55eV) τ ∼ 10-4 S (19.77eV) τ ∼ 10-6 S
7
Postgraduate
E E4 E3
亚稳态能级
E2 E1 N2 N1 N
0
N N2 N3
30
Nd：YAG激光器是四能级系统 Nd：YAG激光器是四能级系统
31
光 的 光 增 益
氦氖气体激光器是四能级系统
共
2 s 2 s
电子碰撞激发 电子碰撞激发
3
1
振 转 移
3s 2s
电 子 碰 撞 激 发
3p 2p
氖
1s
管壁效应 管壁效应
E E3 E E3
E2 E1
0
E2 E1 N3 N2 N1 N
0
亚稳态能级
N3
N1 N2
N
27
光 的 光 增 益
红宝石激光器的工作物质：红宝石 红宝石激光器的工作物质： —— 是掺有少量铬离子（Cr3+)的 是掺有少量铬离子（ 晶体。 （Al2O3)晶体。
采用光激励方法： 采用光激励方法： 受激和发光都在Cr 受激和发光都在Cr3+ 上进行， 上进行，是典型的三 能级系统。 能级系统。
dN 12 = B12 ρ (ν ,T )N 1 = W12 N 1 dt 吸收
Postgraduate
产生激光必须 dN 21 dN 12 > dt 受激 dt 吸收 因 B21=B12
→ W21=W12
∴必须 N2 >N1 必须 粒子数反转或者集居数反转。 或者集居数反转 这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转。
Postgraduate
受激辐射 (stimulated radiation)
E2
N2 hν 全同光子 N1
E1
附近， 设 ρ（ν、Ｔ）—温度为Ｔ时, 频率为 ν = (E2 - E1) / h附近， 温度为 附近 单位频率间隔的外来光的能量密度。 单位频率间隔的外来光的能量密度。
Postgraduate
视频
通常情况下： 通常情况下：Q N1 >> N2
表现为光的吸收
N2
实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用
怎样才能实现粒子数反转呢？ 怎样才能实现粒子数反转呢？ 1）提供足够的外界激励能量； ）提供足够的外界激励能量； 2）原子在激发态多“呆”一会； ）原子在激发态多“ 一会；
粒子数反转状态
E2 E1
上述关系如何推导得出呢？ 上述关系如何推导得出呢？ A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件 ：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布） 推导得出。 推导得出。 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定 了理论基础。 了理论基础。
Postgraduate
思考： 物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？
Postgraduate
受激吸收过程（ 受激吸收过程（stimulated absorption ） N2 hν
E2
E1
N1
上述外来光也有可能被吸收，使原子从 上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1→E2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E 的原子数： 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 1→E2 的原子数：
E1 吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε ②吸收跃迁: 粒子吸收一光子 =hv=E2－E1 而由低能级跃迁 至高能级. 至高能级 E2
6
E1
3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程) 4.激发态的平均寿命 τ : 粒子在激发态停留时间的平均值τ的 典型 值: 10-7～10-9秒 5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射 亚稳态: 跃迁, 则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒), 称亚稳能级,相应的态 跃迁, 则该态的平均寿命会很长(≥10 称亚稳能级, (≥ 为亚稳态。 为亚稳态。
W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。 吸收过程的概率。
Postgraduate
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。 称为爱因斯坦系数。 结合普朗克黑体辐射公式， 结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出 f2B21 = f1 B12
8 π hν 3 A21 = B12 3 c
受激辐射的原子数： 则单位体积中单位时间内，从E２→ E１ 受激辐射的原子数： 单位体积中单位时间内，
dN 21 ∝ ρ (ν、T ) N 2 dt 受激
写成等式
dN 21 = B 21ρ (ν、T ) N 2 dt 受激
B21受激辐射系数
Postgraduate
令 则
W21 = B21· ρ（ν、T） ）
dN 21 =W21 N2 dt 受激
W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 有光的放大作用。 向均相同------有光的放大作用。 向均相同 有光的放大作用
q( nL) ν = q(c ⁄ 2nL)
n: 气体折射率
37
光 学 谐 振 腔
振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定 的光波基本形式， 表示。 的光波基本形式，用TEMmnq表示。 m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成 驻波的节点数, 横模数。 驻波的节点数,称横模数。 q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节 点数， 纵模数。 点数，称纵模数。 1.纵模 能引起振荡的频率关系 2.横模 光场在横向不同的稳定分布。 光场在横向不同的稳定分布。
工作物质
激励系统
一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔 一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。 谐振腔。
35
工作原理： 工作原理： 全 反 射 镜
激光工作物质 半 反 射 镜
out 光放大原理 谐振腔作用： 谐振腔作用：正反馈和选择方向
36
光 光学谐振腔的作用 学 一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔 谐振腔。 一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。 谐 振 腔 激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为： 激光在两反射镜间形成驻波 谐振条件为： 驻波。 2nL = qλ L: 腔长
Postgraduate
激光原理
Postgraduate
本节课主要内容
能级 跃迁 自发辐射 受激辐射 受激吸收 粒子数反转 三能级和四能级 激光器基本结构 纵模 横模
Postgraduate
按量子力学原理， 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能 量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级” 量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原 子能量的任何变化（吸收或辐射） 子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态 之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃 之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃 迁。
24
Postgraduate
光 的 光 增 益
1) 实现粒子数反转分布的条件