光电子技术3.pptx
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1、光电子技术与应用2024/3/24 周日1第第3 3章章 激光原理与技术激光原理与技术光电子技术与应用2024/3/24 周日2第第3 3章章 激光原理与技术(激光制导)激光原理与技术(激光制导)光电子技术与应用2024/3/24 周日3第第3 3章章 激光原理与技术(激光制导)激光原理与技术(激光制导)光电子技术与应用2024/3/24 周日4第第3 3章章 激光原理与技术(激光制导)激光原理与技术(激光制导)光电子技术与应用2024/3/24 周日53.1 3.1 相干光源、非相干光源与激光相干光源、非相干光源与激光o光源器件主要是指电光变换器件。3.1.1 光源的分类o 相干光源:在时间
2、、空间上相位同步的光波形成。o 非相干光源:来源于原子或分子体系的自发辐射。光电子技术与应用2024/3/24 周日6光电子技术与应用2024/3/24 周日7照明光源照明光源 气体放电灯、荧光灯;白炽灯;本征场致发光灯(固气体放电灯、荧光灯;白炽灯;本征场致发光灯(固体灯)。体灯)。显示光源显示光源 着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来区分,着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来区分,如液晶显示器、阴极射线管(如液晶显示器、阴极射线管(CRT)CRT)、发光二极管、发光二极管(LEDLED)。)。信息处理光源信息处理光源 着重光的单色性和高速脉冲性,如高速高亮度的发光着重光的单色性
3、和高速脉冲性,如高速高亮度的发光二极管、分光分度计光源。二极管、分光分度计光源。非相干光源包括非相干光源包括:光电子技术与应用2024/3/24 周日8激光激光 气体激光器、固体激光器、染料激光器、气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。半导体激光器、等离子激光器。非线性光学器件非线性光学器件 主要是激光与非线性光学材料相互作用主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源,如光参量振荡而产生的各种新的相干光源,如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。受激拉曼散射。相干光源包括相干光源包括:光电子
4、技术与应用2024/3/24 周日9 一般通称为激光的四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上,这四性质上可归结为一性,即激光具有很高的光子简并度。也就是说,激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。3.1.2 3.1.2 激光的特性激光的特性光电子技术与应用2024/3/24 周日10o1 1、方向性、方向性 激光发散角小,可达激光发散角小,可达mradmrad量级,接近于衍射极限。量级,接近于衍射极限。o2 2、单色性、单色性 激光的谱线宽度很窄,单色性很好。激光的谱线宽度很窄,单色性很好。o3 3、高亮度、高亮度 激光的发光面小,发散角小,线宽窄,所以有很高的激光的发光面小,发散角小
5、,线宽窄,所以有很高的光谱辐亮度。光谱辐亮度。o4 4、相干性、相干性 激光的发散角小,线宽窄,所以空间和时间相干性都激光的发散角小,线宽窄,所以空间和时间相干性都很好。例如,稳频的很好。例如,稳频的He-NeHe-Ne激光器线宽可达激光器线宽可达v v10kHz10kHz,相干长度达相干长度达LcLc=c c/v v=30km=30km。3.1.2 3.1.2 激光的特性激光的特性光电子技术与应用2024/3/24 周日111.光与物质相互作用的经典模型 介质的极化强度为:用宏观物理量-极化率或介电常数来描述介质对光波场的响应,则:3.2.1 3.2.1 光与物质相互作用的经典理论分析光与物
6、质相互作用的经典理论分析3.2 3.2 激光产生与传播的基础激光产生与传播的基础光电子技术与应用2024/3/24 周日12 经典的电子理论是把原子内部电子运动看成称为简谐振子。简谐振子模型认为,原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置:xo(原子中的正电中心)附近振动(假设一维运动情况),当电子偏离平衡位置而具有位移x时,就受到一个恢复力f=-kx的作用。假定没有其他力作用在电子上则电子运动方程为:其中k是弹性系数,m为电子质量,是电子的固有频率.光电子技术与应用2024/3/24 周日13 电子在原子内部以固有频率做简谐振动,就会向外辐射电磁波,辐射场又对电子产生反作用-与
7、电子速度成正比的阻尼力.此时如果有光波入射,则光波电磁场又会对电子施加一个电磁力,于是方程变为:考虑入射光场为简谐电场的情况,则:将其代入运动方程,可以求得解为:光电子技术与应用2024/3/24 周日14 由方程的解可见:在简谐振子的模型下,电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同,但存在相位差,且这个相位对介质中的所有原子都是一样的.(1)当 时,称为光和物质的非共振相互作用过程.(2)当 时,称为光和物质的共振相互作用过程.光电子技术与应用2024/3/24 周日153.2.23.2.2 光辐射的量子理论基础光辐射的量子理论基础1.1.三种跃迁三种跃迁 (1)受激吸收 受激吸收概率:受激吸收
8、概率:为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数光电子技术与应用2024/3/24 周日16(2)(2)自发辐射自发辐射 光子能量:光子能量:自发跃迁概率:自发跃迁概率:单位时间、单位体积内,单位时间、单位体积内,上粒子的减少为:上粒子的减少为:于是有:于是有:光电子技术与应用2024/3/24 周日17(3)(3)受激辐射受激辐射受激辐射的概率:受激辐射的概率:称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系数。光电子技术与应用2024/3/24 周日182.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并为 ,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统
9、从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到能级的原子数为:单位时间内,的原子数数为:由于系统处于热平衡状态,则应有:即:光电子技术与应用2024/3/24 周日19 热平衡状态下,按波尔兹曼分布:即:所以有:2.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系光电子技术与应用2024/3/24 周日20热平衡条件下,光辐射的能量密度的普朗克公式为:比较两式有:上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同,则有:2.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系光电子技术与应用2024/3/24 周日21 三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言,自发发射系数 A 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方,因而
10、 两能级相差越大,就越高,A,B 的比值就越大,也就是 越高,自发辐射越容易,受激辐射越困难。一般在热平衡下,主要是自发辐射。结论:结论:光电子技术与应用2024/3/24 周日223.3.光谱线展宽光谱线展宽 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为:以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的,也就是能量集中在单一频率上。实际上,自发辐射并非单色的,而是分布在中心频率附近的一个有限范围内,这一现象称为。光电子技术与应用2024/3/24 周日23 考虑谱线展宽的情况,自发辐射的功率应是频率的函数,则总的自发辐射的功率为:光谱线的线性函数:满足归一化条件:于是:3.3.光谱线展宽光
11、谱线展宽光电子技术与应用2024/3/24 周日24由爱因斯坦系数可得:设外来光辐射能量密度也是一个与频率有关的参量,于是:考虑谱线展宽后,对于自发辐射:可见:对自发辐射没有影响,即自发辐射不受影响。光电子技术与应用2024/3/24 周日25 对于受激辐射:可见受激跃迁粒子数改变与粒子体系的及辐射场的有关。光电子技术与应用2024/3/24 周日264.4.受激辐射下光谱线展宽的类型受激辐射下光谱线展宽的类型 (1 1)均匀展宽)均匀展宽 均匀展宽的特点是:引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的,不可能把线性函数某一特定频率与某些特定粒子联系起来,每
12、一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。(2 2)非均匀展宽)非均匀展宽 非均匀展宽的特点是:粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献,这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽,光电子技术与应用2024/3/24 周日27均匀展宽包括:均匀展宽包括:1 1)自然展宽)自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁,从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。由傅立叶变换得其频谱分布为:光电子技术与应用2024/3/24 周日281 1)自然展宽)自然展宽于是自发辐射得功率为:总功率为:所以:当有:光电子技术与应用2024/3/24 周日291 1)自然展宽)自然展宽因此有:得:于是有也可写成:光电子
13、技术与应用2024/3/24 周日302 2)碰撞展宽)碰撞展宽由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的,包括两种情况:激化态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数,表示为:线宽为:光电子技术与应用2024/3/24 周日313 3)热振动展宽)热振动展宽 由于晶格振动引起的,晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中,引起能级振动。这种展宽与温度有关,但其线型函数解析式很难求,只能由实验测出。光电子技术与应用2024/3/24 周日32非均匀展宽包括:非
14、均匀展宽包括:1 1)多普勒展宽)多普勒展宽 由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。以一维运动为例:考虑气体分子热运动的速率统计分布:光电子技术与应用2024/3/24 周日33得:于是有:从而有称为多普勒的线型函数,具有高斯函数形式,相应的线宽为光电子技术与应用2024/3/24 周日34当时(最大值)也可表示为:多普勒展宽实际上是一种统计结果。光电子技术与应用2024/3/24 周日352)2)残余应力展宽残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的,其中一由固体激光物质内部残余应力引起的,其中一种是晶格缺陷所致,非均匀分布的缺陷引起不种是晶格缺陷所致,非均匀分布的
15、缺陷引起不同位置的粒子同位置的粒子 不同,物质本身原子的无规则不同,物质本身原子的无规则排列也会引起。排列也会引起。光电子技术与应用2024/3/24 周日363.2.3 3.2.3 光与物质相互作用经典结果的量子修正光与物质相互作用经典结果的量子修正解释光放大、吸收系数等问题只能从辐射的量子化出发。电磁辐射在物质传播时,每单位体积内的电磁场被电偶极子吸收的功率为:由受激跃迁得:于是有光电子技术与应用2024/3/24 周日37 均匀展宽时:而经典得表达式为:相比发现:经典理论中,恒大于0,即热平衡条件下光通过物质传播时总有一定程度的吸收,而量子修正后取决于光电子技术与应用2024/3/24
16、周日383.2.4 3.2.4 光与物质体系相互作用的量子解释光与物质体系相互作用的量子解释1.两种情况下光与粒子体系的相互作用 1)单色辐射场与粒子体系相互作用)单色辐射场与粒子体系相互作用 单色辐射场的能量密度为:光电子技术与应用2024/3/24 周日39 上式表明由于谱线展宽,和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定精确于 的中心频率 才能产生受激辐射,而是在 附近的一定范围内。2 2)连续辐射光场与粒子体系相互作用)连续辐射光场与粒子体系相互作用 可见,连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率的那部分辐射场才能引起粒子体系受激辐射,其他部分被粒子所散射。光电子技术与应用2024
17、/3/24 周日402.2.受激发射与光放大受激发射与光放大 激活介质的增益系数为:所以有又:所以有:光电子技术与应用2024/3/24 周日41 考虑谱线展宽,有结论:光电子技术与应用2024/3/24 周日42习题o1、设一光子的波长为5*10-1微米,单色性 试求光子的不确定量 。若光子的波长为5*10-4微米(x射线)和5*10-8微米(射线),则相应的 又是多少?o2、激光波长为0.6328微米,激光输出的上能级粒子寿命为2*10-8s,激光下能级粒子寿命2*10-8 p=266Pa,M=20,a=0.53MHz/Pa,计算T=300K时,均匀加宽与非均匀加宽的比值。o3、光子的性质
18、o4、光波模式和光子态 的等价性光电子技术与应用2024/3/24 周日43先进战术激光系统先进战术激光系统 20090613在在2009年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验 光电子技术与应用2024/3/24 周日44光电子技术与应用2024/3/24 周日45 3.3.1 3.3.1 激光产生的必要条件激光产生的必要条件 1.1.粒子数反转粒子数反转 光束通过原子与分子系统时,总是同时存在受激发光束通过原子与分子系统时,总是同时存在受激发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知,一般受激射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知,一般受激吸收远大于受激发射,粒子处于基
19、态;如果激发态的电吸收远大于受激发射,粒子处于基态;如果激发态的电子数远远多于基态电子数,就会使激光工作物质中受激子数远远多于基态电子数,就会使激光工作物质中受激发射占主导地位,这种状态即。发射占主导地位,这种状态即。3.3 3.3 激光产生的条件激光产生的条件必要条件:粒子数反转分布和减少振荡模式必要条件:粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件:起振和稳定振荡(形成稳定激光)充分条件:起振和稳定振荡(形成稳定激光)光电子技术与应用2024/3/24 周日46考虑一个二能级()系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统,频率为:由于受激吸收和发射的存在,光束的能量要发生变化。经dt时间后有:单
20、位体积因吸收减少:单位体积因发射增加:能量总的变化为:由爱因斯坦关系得:光电子技术与应用2024/3/24 周日47 由上式可知,光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类:(1)粒子数正常分布 满足:当物质处于热平衡时有由于于是粒子数分布总有工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即。光电子技术与应用2024/3/24 周日48 (2 2)粒子数反转)粒子数反转 满足:光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。正常分布光电子技术与应用2024/3/24 周日49 在激活介质中,粒子数是反转分布的,粒子在能级上的分布情况与
21、波尔兹曼分布情况相反,是“上多下少”。而要达到粒子数反转分布,需要一个机构将低能级粒子抽到高能级,这种机构称为泵浦源泵浦源。2.2.减少振荡模式数减少振荡模式数 基于方向性、单色性的考虑。右图表示了谐振腔中光的振荡,(R11,R21)光电子技术与应用2024/3/24 周日503.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光产生的充分条件 1.1.起振条件阈值条件起振条件阈值条件 由于R21,光在镜面上总有透射损失,镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时,光波才能被放大,进而振荡,即有阈值。设激活介质的增益系数为 ,谐振腔长为L,则光束通过单程L后,强度变化关系为:(为
22、单程增益)谐振腔两面分别有反射率,透射率,损耗,则:光束在腔内往返一次强度的变化情况为:光电子技术与应用2024/3/24 周日51于是 可见,形成激光振荡条件为激光振荡必须满足的最起码条件为激光振荡必须满足的最起码条件为又因为于是反转粒子数阈值公式为于是反转粒子数阈值公式为光电子技术与应用2024/3/24 周日522.2.稳定振荡条件增益饱和效应稳定振荡条件增益饱和效应 激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升,但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时,增益系数与光强无关,是一个常量;而当入射光强增加到一定时,增益系数将减小,即 应写成 这种现象称为增益饱和现象。设想工作物质在
23、泵浦作用下实现了粒子数反转,即 光电子技术与应用2024/3/24 周日53 当外加光强出现时,感应了 的受激发射和 的受激吸收,两种跃迁的过程概率相等,由于 ,因此 粒子数大于 粒子数,其结果使新平衡反转粒子数 ,变小;由于 越强,造成反转粒子数的减少越严重,因而随着往返振荡,不断增大,使得 不断减小,直到光所获得的增益恰好等于激光腔内的损耗,就建立了稳态的振荡,形成稳定的输出。光电子技术与应用2024/3/24 周日54作业o受激辐射与自发辐射的区别.o证明A21与B12的关系,以及受激辐射和受激吸收系数的关系.o课后习题:1-11 1-12.光电子技术与应用2024/3/24 周日553
24、.4 3.4 激光器的基本结构及输出激光器的基本结构及输出3.4.1 3.4.1 激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔光电子技术与应用2024/3/24 周日56三能级系统 1.1.激光工作物质激光工作物质二能级系统不能充当激光工作物质。激光物质是三能级或四能级结构。光电子技术与应用2024/3/24 周日57四能级系统光电子技术与应用2024/3/24 周日582.2.泵浦源泵浦源 必须用外界能量来激励工作物质,建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置,称为。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件,它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接
25、完成粒子数反转的方式来分,泵浦方式可分为:(1)光激励方式 (2)气体辉光放电或高频放电方式 (3)直接注入电子方式 (4)化学反应方式 还有:热激励、冲击波、电子束、核能等方式。光电子技术与应用2024/3/24 周日593.3.谐振腔谐振腔 限制输出模式,同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。设激光器腔长L,反射镜曲率半径分别为 (凸面镜 ,凹面镜 ),谐振腔可分为稳定腔(低损耗腔)和非稳定腔(高损耗腔)两类。(1)稳定腔 满足:(2)非稳定腔 满足:或光电子技术与应用2024/3/24 周日603.4.2 3.4.2 激光器的输出激光器的输出 1.输出功率 实际激光器工作在
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