2010級 光信息 金旭《激光原理及應用》論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章：激光產(chǎn)生的條件..............................................................................1</p><p><b>　　激光的產(chǎn)生條件</b></p><p><b

2、>　　摘要</b></p><p>　　在光和物質(zhì)的作用下，介質(zhì)中存在著兩個物理過程——吸收和受激輻射。而激光是靠介質(zhì)內(nèi)的收激輻射向外發(fā)出大量的光子而形成的，所以要產(chǎn)生激光就必須要受激輻射大于吸收，以便入射光得到放大。要實現(xiàn)光的放大，第一需要一個激勵光源，用于把介質(zhì)的粒子不斷地由低能級抽運到高能級上去；第二需要有適合發(fā)光介質(zhì)，它能在外界激勵能源的作用下形成的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。所以，激光主要

3、由增益介質(zhì)、諧振腔、激勵能源三部分組成。</p><p>　　關(guān)鍵字：激光、增益介質(zhì)、諧振腔、受激輻射</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　激光實際上是一種受激輻射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。如果用某種激勵方式，將介質(zhì)的某一對

4、能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用，將有一定頻率的光波產(chǎn)生，在腔內(nèi)傳播，并被增益介質(zhì)逐漸增強、放大。因為受激輻射產(chǎn)生相干光子，而自發(fā)輻射產(chǎn)生非相干光子。如果我們能創(chuàng)造一種情況，使腔內(nèi)某一特定模式（或少數(shù)幾個模式）的單色能量密度大大增加，而其他所有模式的單色能量密度很小，就能在這一特定（或少數(shù)幾個）模式內(nèi)形成很高的光子簡并度。也就是說，使相干的受激輻射光子集中在某一特定（或幾個）模式內(nèi)，而不是均勻分配在所有模式內(nèi)。受激

5、輻射的幾率，自發(fā)輻射的幾率，如果能使受激輻射的幾率遠大于自發(fā)輻射的幾率即就能使增益介質(zhì)中受激輻射占絕對優(yōu)勢，我們采用光學諧振腔實現(xiàn)這一設(shè)想。這篇論文正是論述了調(diào)節(jié)光學諧振腔產(chǎn)生激光的方法和其產(chǎn)生的激光的縱橫膜的分析。</p><p><b>　?。杭す猱a(chǎn)生的條件</b></p><p><b>　　1.1概念理解</b></p>&

6、lt;p>　　1.1.1自發(fā)輻射指高能級的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級，并在躍遷時產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-E1，即兩個能級之間的能量差。 這種輻射的特點是每一個電子的躍遷是自發(fā)的、獨立進行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關(guān)系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。</p><p>　　1.1.2受激吸收受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收

7、外界輻射而躍遷到高能態(tài)。 電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等的發(fā)光）都是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。1.1.3受激輻射受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是由受激輻射產(chǎn)生的光

8、子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能級躍遷到低能級，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相位，此波長對應于兩個能級的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。1.1.4受激吸收和受激輻射之

9、間的關(guān)系那么到底原子吸收外來的光子后，是表現(xiàn)為受激吸收呢還是受激輻</p><p>　　在光和物質(zhì)的作用下，介質(zhì)中存在著兩個物理過程——吸收和受激輻射。如果吸收大于受激輻射，沿Z方向的入射光穿過介質(zhì)時，因介質(zhì)吸收而減少的光子數(shù)多于因受激輻射而補充的光子數(shù)，光強會逐漸變?nèi)跞纾▓D1(a)），不能產(chǎn)生激光。反之，如果受激輻射大于吸收，沿Z方向進入介質(zhì)的光會越穿越強（圖1(b)），就能產(chǎn)生激光。因此，產(chǎn)生激光的基本條件

10、是受激輻射大于吸收。</p><p>　　圖1，光在物理介質(zhì)中傳播的物理圖像</p><p>　　而要滿足這一條件就必須具備以下三個條件：</p><p>　　有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子和離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；</p><p>　　有外界激勵源，把下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之

11、間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；</p><p>　　有光學諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的收激輻射光頻率以提高單色性。</p><p>　　1.2.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布</p><p>　　欲使介質(zhì)中的受激輻射過程大于吸收過程，必須使 這在熱平衡狀態(tài)的介質(zhì)中是不可能實現(xiàn)的。必須采取措施，把下能級的粒子大量的抽運到上

12、能級上去，造成一個 的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)狀態(tài)。處于這種狀態(tài)的介質(zhì)叫做增益介質(zhì)。</p><p>　　當光波經(jīng)過增益介質(zhì)時，引起的受激輻射就會大于吸收，且粒子數(shù)密度</p><p>　　愈大，相對吸收來說，受激輻射就愈強，光經(jīng)過增益介質(zhì)時增長就愈快，這就形成了受激輻射在介質(zhì)中占主導地位的狀態(tài)。</p><p><b>　　定義

13、</b></p><p><b>　　增益的相對速率為</b></p><p>　　增益系數(shù)：G代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度路程光強的相對增長率，也代表介質(zhì)對光波放大能力的大小，將G稱為增益系數(shù)，激活介質(zhì)的增益系數(shù)</p><p>　　增益系數(shù)是增益介質(zhì)的性質(zhì)</p><p>　　增益系數(shù)是單位長度的光強相對

14、增長率</p><p>　　對于已知長度L的增益介質(zhì)，如果測得入射光強I0、出射光強I以及增益介質(zhì)的長度L，則可以算出增益介質(zhì)在長度L上的平均增益系數(shù)</p><p>　　1.2.2光學諧振腔</p><p>　　要使受激輻射幾率遠大于自發(fā)輻射幾率，即 只有靠增大增益介質(zhì)中傳播的光能密度來實現(xiàn)。</p><

15、;p>　　介質(zhì)中傳播的光能密度公式 </p><p>　　表明光能密度隨穿過增益介質(zhì)的路程z按指數(shù)規(guī)律增長，其他參數(shù)都是常數(shù)，z越大，光能密度也越大，也就是可以增加增益介質(zhì)的長度L來增加光能密度。</p><p>　　因此，我們提出光學諧振腔——增加增益介質(zhì)的長度L的方法，它是通過多次反射的方法來增加長度L的。</p><p>　　光學諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖2：

16、</p><p>　　在增益介質(zhì)的兩端各加一塊平面反射鏡M1、M2。其中一塊為全反射鏡；另一塊為部分反射鏡（反射率接近于1）。兩者嚴格平</p><p>　　行并與增益介質(zhì)的軸線垂直，</p><p>　　這就是一個簡單的光學諧振腔——平行平面腔。</p><p>　　放大的條件：光在腔內(nèi)往返一次時放大的量大于損耗的量</p&g

17、t;<p>　　光學諧振腔的作用：延長增益介質(zhì)作用長度，控制光束傳播方向。</p><p><b>　?。杭す馄鞯慕M成</b></p><p>　　前面的介紹已經(jīng)告訴我們，自發(fā)輻射顯然是形不成激光的，而受激輻射也只是激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。要激勵出激光來，還必須采取手段創(chuàng)造必要的物質(zhì)條件。激光器的必要組成部分，通常由兩塊與工作介質(zhì)軸線垂直的平面或凹球面反射鏡

18、構(gòu)成。工作介質(zhì)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后就能產(chǎn)生光放大。諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。</p><p>　　2.1 激光工作介質(zhì)</p><p>　　激光工作物質(zhì)的作用是能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激光放大</p><p>　　激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實現(xiàn)粒

19、子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。2.2激勵源</p><p>　　激勵能源的作用是能將低能級的粒子不斷抽運到高能級，補充受激輻射減少的高能級上粒子數(shù)。 為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光

20、激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。</p><p>　　圖3,激光器的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3諧振腔光學諧振腔作用是提高光能密度，保證受激輻射大于受激吸收。</p><p>　　有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻

21、射強度很弱，無法實際應用。還需要將輻射的光進行放大，于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的

22、光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，直到能量達到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。</p><p><b>　　：激光腔的調(diào)節(jié)</b></p><p>　　3.1光學諧振腔的調(diào)節(jié)方法</p><p>　　如圖4所示，十字屏中心有一小孔，用照明光源照亮十字屏。

23、通過小孔沿光軸觀察放電管，移動十字屏位置，在放電管端頭找到放電管中心的光點，如圖5（a）所示。然后調(diào)節(jié)腔鏡，并觀察十字線的像，使其交點與放電管中心光點重合，調(diào)節(jié)到如圖5（c）所示狀態(tài)后（標志著腔鏡已經(jīng)與放電管軸線垂直），將十字屏、照明光源換到激光腔另外一端，按照以上調(diào)節(jié)方法，同樣調(diào)節(jié)到如圖2（5）所示狀態(tài)，即可能有激光輸出。否則，可重復以上步驟，反復調(diào)節(jié)，直至輸出紅色激光?？梢允褂霉夤β视嫞ㄗ詡洌z測輸出激光強度，微調(diào)兩腔鏡，以達到最佳

24、輸出光強。波長632.8nm。</p><p>　　當按照以上步驟把激光腔調(diào)整，若使其達到了激光的產(chǎn)生條件，那么在激光腔中就會發(fā)出激光，改變?nèi)鐖D3所示的M1或M2就會得到不同的激光縱橫模。如圖6所示，是一些常見的一些橫模光斑圖。</p><p>　　取激光器軸向為直角坐標系的z軸，以諧振腔中心點為原點，在與z軸垂直的平面上取互相垂直的x軸和y軸。用符號TEMmn表示各種橫向模式。m、n均

25、為正整數(shù)，分別表示在x軸和y軸方向上光強為零的那些點的序數(shù)，</p><p>　　稱為模式序數(shù)。輸出激光束橫截面上橫模的光</p><p>　　斑圖表示在下圖中?；Ｓ址QTEM00模，其光</p><p>　　斑中任何一點光強都不為零。若光斑在x方向</p><p>　　上有一點光強為零，稱為TEM10模；在y方向</p>&l

26、t;p>　　上有一點光強為零，稱為TEM01模。以此類推，</p><p>　　模式序數(shù)m和n越大，光斑中光強為零的點的</p><p>　　數(shù)目越多。除基模為低次模式外，其它的模式都</p><p><b>　　稱為高次模式。</b></p><p>　　圖6，常見橫模光斑圖</p><p&g

27、t;　　第四章：激光產(chǎn)生條件的討論</p><p>　　在滿足第一章中的1.2所說的三個條件后也不是就能出激光。因為以上所說的條件都需要有很高的精度和很好質(zhì)量。例如，激光腔的質(zhì)量和調(diào)節(jié)時是否達到了共軸的條件等等，另外還與諧振腔的穩(wěn)定性有關(guān)。下面就是對他們的討論。</p><p><b>　　4.1諧振腔質(zhì)量</b></p><p>　　光學諧振

28、腔一方面具有光學正反饋作用,另一方面也存在各種損耗。損耗的大小是評價諧振腔質(zhì)量的一個重要指標,決定了激光振蕩的閾值和激光的輸出能量。常見的損耗有如下幾種。</p><p>　　4.1.1幾何偏折損耗</p><p>　　光線在腔內(nèi)往返傳播時，可能從腔的側(cè)面偏折出去，我們稱這種損耗為幾何偏折損耗。其大小首先取決于腔的類型和幾何尺寸。</p><p><b>

29、　　4.1.2衍射損耗</b></p><p>　　從波動光學觀點來看,由于腔反射鏡面幾何尺寸是有限的,光波在腔內(nèi)往返傳播時必然因腔鏡邊緣的衍射效應而產(chǎn)生損耗。如果在腔內(nèi)插入其他光學元件,還應當考慮其邊緣或孔徑的衍射引起的損耗。通常將這類損耗稱為衍射損耗,可由求解腔的衍射積分方程得出,其大小與腔的菲涅耳數(shù)、腔的幾何參數(shù)以及橫模階數(shù)等都有關(guān)系。</p><p>　　4.1.3腔鏡

30、反射不完全引起的損耗。</p><p>　　這部分損耗包括鏡中的吸收、散射以及鏡的透射損耗。通常光腔至少有一個反射鏡是部分透射的，有時透射率可能很高(例如，某些固體激光器的輸出鏡透射率可以大于50％)，另一個反射鏡即通常所稱的“全反射”鏡，其反射率也不可能做到100％。</p><p>　　4.2諧振腔共軸條件</p><p>　　首先確定平面鏡、球面鏡，毛細管光軸

31、的光路要在同一有效增益介質(zhì)范圍中，即最好是三點一線，那么我們要確定光線在經(jīng)過平面鏡后的傾斜角θ1、θ2，假設(shè)平面鏡焦點O到諧振腔管口直徑距離為L1（假設(shè)為10~20cm，L2為30~50cm)，諧振腔直徑管口d（假設(shè)為0.5~1cm,r2約為0.1cm) 則</p><p>　　Tanθ1=d/L1 θ1=2.86241°</p><p><b>　　而</b&

32、gt;</p><p>　　Tanθ2=r2/L2 θ2= 0.1159°</p><p>　　得出傾斜角后，我們可知我們必須將光線首先調(diào)整在θ1傾斜角范圍內(nèi)，然后在精細調(diào)節(jié)到θ2傾斜角范圍內(nèi)，只有這樣，才能確定光線的光路能在諧振腔毛細管的最高有效增益介質(zhì)范圍內(nèi)。即達到了平面鏡、球面鏡、諧振腔共軸的條件。</p><p>　　4.3諧振腔的穩(wěn)定性<

33、/p><p><b>　　諧振腔的穩(wěn)定條件：</b></p><p>　　g1,g2為諧振腔的g參數(shù)，</p><p>　　平行平面腔:腔中沿軸線方向行進的光線能往返無限多次而不致逸出腔外，且一次往返即實現(xiàn)簡并(形成閉合光路)．沿非軸向行進的光線在經(jīng)有限次往返后，必然從側(cè)面逸出腔外，這又與非穩(wěn)腔相像。</p><p>　　此

34、時有R1=R2＝∝， </p><p>　　最后得出滿足了激光產(chǎn)生的三個條件后，還要看光學諧振腔</p><p>　　的質(zhì)量和穩(wěn)定性，以及調(diào)腔時的精度，看是否達到了共軸條件。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　《激光原理及應用》 陳家壁 等編著 電子工業(yè)出版社出版</p>