第2章 激光产生的基本原理.ppt

激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦 玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题。 静电势能： 电子动能： 原子的总能量： 上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。 2.1.2 原子的能级 角动量量子化： 电子轨道半径： 跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。 低 吸收光能量 高 辐射跃迁： 高 辐射光能量 低 量子跃迁是量子力学的最基本概念 2.1.3 原子发光的机理 非辐射跃迁：在不同能级间跃迁并不伴随光的吸收或辐射。 受激辐射概念的提出： 爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。 《辐射的量子理论》 2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收 第二章 激光产生的基本原理 2.2.1 自发辐射 只与原子本身性质有关，与辐射场无关。 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 原子在能级 的平均寿命（荧光寿命） 如果存在向多个下能级的跃迁，则荧光寿命缩短 如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。 2.2.2 受激吸收 ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数 只与原子本身性质有关 与原子本身性质和辐射场能量密度有关 受激吸收跃迁几率： 2.2.3 受激辐射 当外来光子的频率满足 时，使原子中处于 高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），具有相同频率、相位、波矢、偏振。受激辐射的光是相干光。 受激辐射跃迁几率： 与原子本身性质和辐射场能量密度有关 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数 ,只与原子本身性质有关 2.2.4 爱因斯坦三系数 的相互关系 ——各能级上的原子数密度 （集居数密度） 玻尔兹曼统计分布： ——能级 和 的简并度， 或称统计权重 热平衡状态： 辐射率 吸收率 （辐射场总光子数保持不变） 当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程. 与Planck公式比较 1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。 2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。 3. 自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，自发辐射几率越大。微波以受激辐射为主，普通光源以自发辐射为主。 2.3.1 受激辐射光放大 第二章 激光产生的基本原理 2.3 激光产生的条件 受激辐射与受激吸收的矛盾 粒子数正常分布： 受激辐射：光子数 受激吸收：光子数 光强减弱 例：T=300K时， 在热平衡情况下，光波辐射以自发辐射为主。 另：受激辐射与自发辐射关系： 1. 集居数正常分布 2.3.2 集居数反转 克服受激辐射和受激吸收的矛盾 第二章 激光产生的基本原理 受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。 受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。 2. 粒子数反转分布（集居数反转） 激光产生的必要条件：粒子数反转 泵浦（Pumping）： （抽运、激励） 外界向物质提供能量 激活物质：处于集居数反转状态的物质。 另外，激辐射大大超过自发辐射，使输出为相干光。 通过中间环节 2.3.3. 激活粒子的能级系统 激光工作物质 激活粒子：能够形成粒子数反转的发光粒子。 （可以是原子、分子、离子、准分子） 基质：为激活粒子提供寄存场所的材料。 1. 二能级系统 二能级系统不能实现粒子数反转分布 2. 三能级系统 具有亚稳态的工作物质，才能实现粒子数反转。 亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长） 如： 受激吸收 泵浦 无辐射跃迁 放出能量 形成粒子数反转 受激辐射 发出激光 Energy Laser Radiation N Fast transition Abs. 另一种形式： 发射激光 3. 四能级系统 (a) Nd:YAG激光器 Energy Laser Radiation N Fast transition Absorption Fast transition (b)氦氖激光器 四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。 引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射 受激辐射 自发辐射 相干光子 噪声光子 竞争状态 受激辐射为主： 2.3.4 光的自激振荡 克服受激辐射和自发辐射的矛盾 1. 光学谐振腔 设想有长度足够大的激活介质： 自发辐射为主 受激辐射为主 不断增大 （1）