激光原理陈祥万20100704003.docVIP

贵州民族大学计信学院 《激光原理及运用》课论 激光产生条件及氦氖激光器工作原理的概述 学 系： 计信学院 专 业学术 名： 陈祥万 学 号 20100704003 指导老师： 葛一凡老师 摘要： 随着现代科学技术的不断发展，科学在不同的领域都得到了迅速的发展，本世纪五十年代末Shawlow和Townes论证了受激发射光波放大原理。1960年7月7日美国Maiman在《纽约时报》报道世界上第一台激光器――红宝石激光器发射成功。1961年初Javan研制出第一台He-Ne激光器。1961年长春光机所研制成功我国第一台红宝石激光器。1963年上海光机所研制成功我国第一台He-Ne激光器。1963年Goldman首先将激光应用于皮肤科临床。1964年10月5日依照钱学森建议定名为“激光”解放军总医院第一附属医院皮肤科张云杰 激光的基本原理 一．激光的产生??? 激光和普通光都是电磁波，都具有光学特性，都是在外因作用下发光物质内部运动的结果，但两者的产生过程和发光过程有着很大的不同。 １原子的能级??? 原子由原子核和核外电子组成，电子受库仑力的作用绕原子核旋转。电子在核外绕核旋转的不同状态使原子处于不同的能量状态。正常情况下，多数原子处于最低能量状态，即基态，少数原子处于高于基态的能量状态，即激发态。能级越高，处于该能级上的原子越少。原子能级的转变称为跃迁。?2.粒子数反转??? 采用某种特殊方法，如光、电化学、甚至核能等手段使原子的能级分布倒过来（激励），即使某个高能级上的原子数目多于某个低能级上的原子数目，这种原子在能级上的不正常分布称为粒子数反转．粒子数反转过程中，粒子吸收了一定能量从低能级跃迁到高能级，这是产生激光的必要条件之一．然而并非任何物质都能产生粒子数反转，只有能实现粒子数反转的物质才有可能产生激光，称为激光工作物质。３．受激辐射??? 处于激发态的原子，自发从高能态到低能态的跃迁称自发跃迁，并以光的形式辐射出能量，称自发辐射。而在外界光子的作用下，原子从高能态向低能态跃迁，同时发出另一个光子，这一过程称受激辐射。受激辐射的特点是，外来光子的能量必须等于粒子中两个能级间的能量差，这时才能产生受激辐射；受激辐射所产生的光子与外来光子的频率、相位、偏振、方向及速度等完全一致，同时产生光放大。４．激励源和谐振腔??? 激励源又称泵浦源，是使激光工作物质实现粒子数反转的外加能源。激励方式有多种，如光激励、电激励等。谐振腔是由两块互相平行且垂直于工作物质中轴线的反射镜组成，其中一块为全反射镜，另一块为部分反射镜。 激光形成的条件总结为： A 有适合的工作物质，能实现粒子数反转，具有适合的能级结构即具有亚稳态能级，B具有外界激励源，C有激光谐振腔，D满足起振条件GGo，E满足稳定震荡条件即增益饱和效应。 氦氖激光器的工作原理： 1 激光产生阀值的条件： 激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对能级之间发生粒子数反转分布时，频率处在这对能级自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益而放大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输时，又会不断衰减。 能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学谐振腔, 要获得光自激振荡, 须令光在腔内来回一次所获增益,至少可补偿传播中的损耗。 激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受激辐射(激光)转变的转折点。 激光器的增益： 增益系数的定义： 光强随距离的变化： G 代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小。 推导可得 其中 激光器的损耗，1内部损耗 2 镜面损耗：当强度为I 的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示。 激光器内形成稳定光强的过程：激光谐振腔内光强由弱变强直至最后达到稳定的过程可以用右图来描述，M2是反射率的全反射镜，置于在 处，M1是反射率的部分反射镜，置于 坐标处。稳定光强在腔中传播过程可由闭合曲线表示为A--I(L),I(L)--I(2L),I(2L)--I93L)-------------------, 谐振腔内光强的放大过程： 由于自发辐射，在z = 0处有一束强度为I1的入射光沿腔轴传播，此时由于腔内光强很弱，此时介质的增益系数就是小讯号增益系数G0,有： 2又经增益介质进行放大，再传到M1处时，光强已增至 谐振腔稳定出光过程，随着光强的增大，受激辐射作用增强，激光上能级粒子数急剧减少，反转粒子数密