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Reinhart Poprawe教授

激光技术有限公司主席 亚琛工业大学

欢迎大家在这节课上讨论激光原理

简言之 我们要做的就是

从无数的热光状态中选出其中一种以激光束形式存在的

我们将在接下来的20分钟里讨论它是如何工作的

这里所列的就是大纲

我们将从一些激光原理的示意图开始

然后谈谈一些不同的活跃媒体

这些是激发辐射产生的介质

然后我们讨论了一些谐振器 泵浦机构 最后设想了一些激光结构

首先 我来举个例子

比如一个晶体 在这种情况下 这个晶体是由光照明的

在我们应用光之前 我们还要对准一个轴 放置两面镜子

让它们与晶体对称

然后我们应用泵浦光 泵浦光激活晶体 使其具有潜在的辐射能力

然后 如果做的足够好 水晶就会开始发光

在这里 大家已经看到状态数的缩小

从泵浦光的基本无限状态到只有一种状态

在这种情况下 你可以看到一个定向散发辐射的特定空间

所以 我们需要一个泵 我们需要一个更一般意义上的活性介质

我们需要一个基本上由镜子组成的谐振器 仅此而已

现在我想给大家看两个视频 在这两个视频中 大家可以看到辐射的受激发射

这就是足够多的原子的作用

在足够大的电磁场下 这些粒子会产生辐射

这就形成了受激发射过程

在我们深入讨论这些细节之前 我想先在下面的视频中演示一下

这个视频有两集

在第一集中 大家会看到被激发的 自发辐射的 有一个黄色辐射边缘的原子

这些是白色的电路发射 基本上是它们发射能量

现在 在极慢的运动中我们激活了原子

所以它们或多或少都被激活了 我们有一个逆过程

一旦一个原子开始自发地发射 它就会收集其他原子在相同阶段的能量

如果我们提供一个线性对称

这里我们看到了波阵面的形成 正如大家在这个视频中看到的

同样的情况 现在我们应用镜像

所以 大家可能会想到发生什么呢

我们激活这些原子后 它们就开始发射

由于这些镜子 我们可以选择方向

只有这些波被放大

这两个反射镜在形成谐振腔的两个反射镜给出的方向上反射

线性波阵面又开始形成

所以 在对发生的事情做了更一般的记录之后 让我们来看看细节

在这个视图图中 大家看到一个能量图 有四个能级E0到E3

在激活介质时 我们开始填充

更高能级E3 泵浦能级 并填充相应的激发态

在此之后 由于一些机制 从这个泵浦电平到上激光器电平将会有一个弛豫时间

我们必须讨论相应的活性介质以及活性介质的性质

正如大家看到的 我们继续泵浦 不断地填充泵浦能级

因此 上层激光能级也会被填充

如果在E2能级有更多的激发态 那么在E1能级我们要讨论的是总体反转

所以 如果激发态的能级比低能级的能级多 我们要讨论的是总体反转

这是受激发射的条件

如果我们对上下激光能级的能量差施加与其量子能量相对应的电场

我们会得到一个受激发射

所以在相位和相同的能量下 第二个光子将以与激发光子相同的方向发射

去接近这个主动带电的可辐射原子

所以 这就是受激发射的机制

当激发态放松时 我们处于较低的能级

然后由于几个机制 较低能级再次减小到地水准平面

整个过程又一遍遍开始了

所以 在这里 总结一下这方面的受激辐射

之前的动画幻灯片的所有步骤都是马上显示出来的

产生的光子在发射相位和能量方向上

具有与激发光子完全相同的物理性质

这是关键

所以 最终我们会将具有特定特性的光子相乘

从能量和方向的角度 变成这种单一状态

该选择是由外部应用谐振器引起的

在接下来的几分钟里 我们将讨论活动媒体的几种性质

正如大家在这里看到的 我们列出了五个示例

Kyrpton氟化物准分子激光的媒介 因为它被称为是一种气体

活化能是通过电子态完成的

所以我们有很高的量子能

在这种情况下 很常用的大约是5电子伏 对应的波长在uv中

其它激光器 如氦氖激光 其量子能量更小

约为2电子伏 对应的波长约为600纳米

这是大家在实验室氦氖激光中非常熟悉的红光

二极管激光是固态激光 同样的icontact固态激光

波长可以在相当大的范围内进行调整

在这种情况下 我们通常讨论1到3电子伏特之间的量子能量

所以可用波长在400纳米到1微米之间

这里的固态激光器在钕YAG激光中是一种电子状态

这种电子状态的能量通常是1.2电子伏特

对应的波长是1.6微米

最后是气体激光 作为气体激光大家族中的代表

非常流行的代表是二氧化碳激光 它使用二氧化碳作为激光气体

我们马上会展示一些细节 在这里 能量状态是电子振动式的

这意味着我们要分离不同能量的分子

然后这些振动能态的弛豫就以光子的形式发射出来

对应的波长要长得多 量子能量要小得多

所以在远红外中 我们讨论的波长是10.6微米

顺便说一下 巧合的是

钕激光和二氧化碳激光的波长差是10倍

1.6 10.6 纯粹是巧合

如果你更详细地看一下激发态和刺激态中发生了什么

那么我们来看一下原子本身

正如大家可能知道的 电子通常以基态存在于原子中

为了简单 在这里 我们取了一个氢原子

然后如果我们激发这个原子 我们就得到了处于被激发的上能级的电子

随着这个激发态的弛豫 发射出一个光子

在实际状态下光子的发射要困难一些

我们在这个氦氖激光应用中展示了能量图

这里你可以再次看到泵浦能级

泵浦能级是电子激发氖原子进入被激发泵浦能级的多个能级

然后通过碰撞进入上层 激光能级得到弛豫

然后我们有了激光跃迁较低的激光能级 由一组能级给出

通过原子和分子与空腔壁的碰撞 空腔壁放松到基态

整个过程重新开始

所以 如果大家仔细看一下能量图

它们通常比我们一开始看到的四个能级系统要复杂得多

我们一开始就看到了

但关键是我们只需要这四个能级就可以描述整个激光

另一个例子是二氧化碳激光 我们有这些振动能级

所以没有上层电子能级是由不对称的振动态给出的

所以二氧化碳分子是线性的

想象我的上面就是海 这些是氧原

所以上面的激光能级实际上是由不对称振动能量模式表征的

现在我们来看激光光子发射后的较低的激光能级

它不是对称振动模式

它是对称模式 然后与相应的能量振荡

然后这两个能量的差作为光子发射

再然后这个状态又松弛到基态对称激光模式

这样分子就可以通过与氮气碰撞而被激发

或者再次通过直接的电子碰撞激发到较高的激光能级

我们来说一下谐振器

这一方向的模式选择机制基本上是

由于两面镜子的存在和出现 形成了我们所说的谐振器

所以 谐振器基本上允许我们把辐射反馈给系统

并为受激发射提供条件

这样我们就选择了空间模式

这两面镜子在空间中的选择以及辐射的发射方向

我们也马上开始定义光束质量

根据这些模式的角度进行选择

我们称之为纵向模式的频率选择由线宽给出

事实是 我们已经进行了受激发射

就像我之前所说的 产生相同性质的光子

与受激光子具有相同的特性

这为我们提供了与激发量子相同的发射量子的特性

最后一点是关于激光束源的

就其架构而言 通常在我们讨论的所有内容中都有一个黑匣子

现在我们更好地理解了

第一 我们有一个发射产物 一束激光

特别集中在方向和带宽上

然后我们可以用这个激光束来塑造光束以聚焦

将其投射到工作场 执行一些应用程序

但是激光本身的主要特点是我们需要一个电源来泵送活性介质

我们需要一个冷却装置来刺激从下水平到地水准平面的辐射

这就允许我们进行种群反转

所以 我们有两种方法来提供总体反转

第一 通过增强泵浦 上层激光能级将被填充到更高的位置

或者冷却整个系统 再冷却下层激光能级 为反转提供条件

这就是为什么在系统架构中 这两个元素是最重要的

冷却和抽运状态

这是宏观上的类比 就像我之前给大家看的原子四能级图

当然 为了控制整个系统 我们需要一些电子设备来保证所有工作都一致进行

光束本身是由光源产生的

如果大家看得更仔细 其实我们可以选择的媒介是多种多样的

以及我们向激光介质提供能量的泵浦机构

同样可以通过几种方式提供

最后 在几张泵浦机构的图片中 我们进行了总结

关于气体放电 在气体激光中 当然我们只提供两个电极

就像以前一样 在这个超大气压放电中

大家看到那些霓虹灯照亮了建筑大厅或办公室

这里有一个辉光放电 在这个辉光放电中 电子被激发

它们刺激活性介质 在这种情况下 这是气体

还有其他方式也可以提供泵系统所需的能量

在这种情况下 这些系统可以由光能泵浦

这里我们有一个闪光灯 它发出全光谱的光 然后被晶体吸收

在这种情况下 可以把钕YAG晶体看作是固态激光

它吸收能量 将其转换成辐射能

然后通过镜子 我们得到钕YAG激光的受激发射

我们也可以通过二极管而不是闪光灯提供能量

在这种情况下 我们已经提高了泵的质量

因为我们有更窄的带宽，

因此 在这种激光系统中 效率更高

第三种提供能量的方式是直接通过电流

在这种情况下 你可以看到上频带的半导体模式

以及砷化镓半导体激光的低频带

这种转变只发生在上频带和下频带之间

所以在这种情况下 它是直接泵浦光子的光发射正向电流