该领域的有关诺贝尔奖
❖ 1964: Townes, Basov, 微波激射器和激光器的发明 ❖ 1971: Dennis Gabor, 激光全息术 ❖ 1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学 ❖ 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
说明: 朱隶文系美籍华人, 1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究 院院士
“激光” （LASER）一词是受激辐射光放大
（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。 1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验 室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于 1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术 得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。
图1-6 理想锁模可获得窄脉冲激光
由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中， 因此，能在直径极小的区域内（10-3毫米）产生几百万 度的高温。从一个功率为1kw的CO2激光器发出的激光 束经过聚焦以后，在几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧 穿。工业上利用激光高亮度的特性，在金属钻孔、焊 接、切割、表面热处理、表面氧化等方面的应用近年 来有很大的发展。
（2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光
束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等
极高的激光束；
（3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光
的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促
进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、
激发电压等等。
光是（波长较短的）电磁波
50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个 学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术， 激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测 与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术， 非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学， 激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控 核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科 的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
(模的阶次越高，衍射损耗越大，基模的衍射损耗最小) 。
例子：
YAG激光器的腔体结构图
氦氖气体激光器是四能级系统
氖原子
在3s 2 p 间
实现粒子数反转分布
管壁效应 电子碰撞激发
共
21s
振 转
23s 移
3s 2s
3p
2p
电
子 1s
碰
撞 激
发
自发辐射
He
Ne
四、激光模式的选择
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， 用TEMmnq表示。
荧光光谱
λn 400 600 800 m
图1-5 普通光源荧光光谱， 谱线宽度约为：150 nm
3.高亮度： 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位
立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太 阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一 台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉 冲窄，光功率密度却非常大。
激光器的组成 谐振腔
工作物质 激励系统
实现粒子数反转分布的条件：
激励源(泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。
有电激励，光激励，热激励，化学激励等
激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从 低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程 （又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。
粒子数反转状态
造成连锁反应, 以实现光放大.
选向--- 将传播方向偏离光轴方向太多的光子淘汰掉, 使得到的激光是一束
方向性很好的光.
选频--- 反射镜镀上多层膜,膜厚度λ/4, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,
得到单色性好的激光
典型的激光器谐振腔
衍射损耗
谐振腔的选择： 模体积
腔体镜面的安装
谐振腔的种类：
平行平面腔 同心球面腔 共焦谐振腔 长半径球面腔 半球型谐振腔 平凹稳定腔 非稳定腔
同心球面腔结构示意图
共焦谐振腔
共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间，其特 点如下：
1）镜面较易安装、调整； 2）较低的衍射损耗； 3）腔内没有过高的辐射聚焦现象； 4）模体积适度； 共焦谐振腔一般应用于连续工作的激光器
共焦谐振腔示意图
长半径球面腔
长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点 如下： 1） 中等的衍射损耗； 2）较易安装调整； 3） 模体积很大； 4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；
• 格劳伯是因为“对光学相干的量子理论的贡献”而获奖，他的研究不仅 为新兴的量子光学研究奠定了基础，他和其他科学家在这一领域的研究 成果，也有望在未来用于开发更加安全的通信加密技术。霍尔和汉斯获 奖是因为对基于激光的精密光谱学发展做出了贡献，使“光梳”等技术 的测量精度有望进一步提高，并将在很多领域找到用武之地。这些技术 有望改进现有的全球定位系统，提高太空望远镜的观测精度。另外，类 似的超高精度测量技术，也可能应用于研究物质和反物质的关系，以及 用于检测某些自然界常数可能产生的变化。
E3
E2
E2
hv
E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外 来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，
与该原子发生相互作用。且
hv E2 E，1其中：E2为原
子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这
一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。
hv
hv
E1
图1-3 受激辐射示意图
受激辐射的特点：
这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激
辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，
相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全
相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到
两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于
第二讲 激光原理与选模 段作梁
电子工程学院光电子技术系
主要内容
一、激光历史回顾 二、激光原理简述 三、谐振腔的结构与作用 四、激光模式的选择
一、激光的历史回顾
激光技术、计算机技术、原子能技术、生物 技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人 类探索自然和改造自然的强有力工具。
与电子电力技术、自动化测控技术的完美 结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好 生活。
平行平面腔
平行平面腔的优势: 模体积大; 腔内激光辐射没有聚焦现象
平行平面腔的劣势: 镜面调整难度高; 衍射损耗高
平行平面腔主要应用于高功率脉冲激光器!!
平行平面腔结构示意图
同心球面腔
同心球面腔的优势: 衍射损耗低; 易于安装调整 同心球面腔的劣势: 模体积小; 腔内产生光辐射聚焦现象
同心球面腔主要应用于连续工作的染料激光器泵浦激光器.
选择性损耗，与横模有关
非选择性损耗，与光 波模式无关
（1）几何损耗：光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去而引起损耗。
决定其大小的因素：腔的类型和几何尺寸；
（2）衍射损耗：腔镜边缘、插入光学元件的边缘、孔径及 光阑的衍射效应产生的损耗。
决定其大小的因素：腔的菲涅耳数有关、腔的几何参数有 关、横模的阶数有关。
激光的特性：
1.单向性极好：普通光源向四面八方发射能 量，其能量分布在全空间4立体角内。而激 光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方 向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面 度。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅 扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已 经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射 原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光 这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。
值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能
级之差时，光子才能被吸收。
自发辐射
与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定
的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），
之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发 地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发 辐射。
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
E3
E2
hv
E1
图1-2 自发辐射示意图
自发辐射的特点： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立
地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方 向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内 充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原 子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色 的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初 位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光
子。这便是受激辐射的光放大。图1-4就是受激辐射光放大
的示意图。
hv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
hv
图1-4 பைடு நூலகம்放大示意图
无辐射跃迁
产生激光的必要条件：
Light or laser
（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形 成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；
1）光泵抽运
E2
如红宝石激光器
E1
2）电子碰撞 如氩离子激光器
3）化学反应
-
如氟化氘激光器等。
4）共振转移
如He--Ne激光器 。
He
-
Ne He
-
-
- 电子 -
Ne
三、谐振腔的结构与作用
泵浦光
输出激 光