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学院：物理与信息工程学院姓名：段锋华学号：111101104激光产生原理与激光器结构摘要：激光作为新型强相干光源的出现，是现代信息光学发展的三大事件之一。激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助，已被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域，带动了许多新兴学科的发展。激光的诞生是一种巧妙的设计，激光的产生综合考虑了各种问题，创造性地解决了物质自然状态下的很多难题。然而，它的构成思想又是朴素的，所选择的器件也是有针对性、有方向性的，它表现出来的宏观特性又是神奇和具有广泛用途的。本文介绍激光的构成思想，阐述了激光工作原理和实现激光产生的种种必要条件，诸如粒子数反转条件、谐振腔稳定条件、振荡条件等，并说明了激光器件各部分的功能作用及四大宏观特性的产生原因。关键词： 受激放大 粒子数反转 增益 谐振腔稳定条件 振荡条件（1）、 激光组成部分要求及作用 1．工作物质：实验证明，有各种各样的物质，在一定的外界激励条件下，都有可能成为激活介质，因而可能产生激光。它们有固体、气体、液体和半导体。这样的一些能产生激光的物质叫激光工作物质。选择合适的激光工作物质是构成一台激光器的首要物质前提。对激光工作物质选择的要求是：光学均匀性好，对激光波长光学透明性好，荧光量子效率高，物理化学性能稳定，使用寿命长，导热系数大，破坏阈值及制造工艺简单。为了选择激光工作物质，必须对物质作能谱分析。在此基础上根据不同的需要进行选择。这是一个比较复杂的问题，需要考虑的问题很多，最重要的问题是一种物质是否有合适的跃迁能级，即在某两能级之间可以实现粒子数反转分布。一般要求上能级2 E 的自发辐射寿命大于下能级1 E 的自发辐射寿命，而且根据跃迁选择定则，该两能级之间的辐射跃迁是被允许的，同时辐射频率（）适合我们的要求。2．激励系统：要使激光工作物质成为激活，需要有外界的激励作用，即需要激励系统。每种激励都需要有外加的激励源，即泵浦源。它的作用就是使介质中处于基态能级的粒子不断地被提升到较高的一些激发态能级上（这叫做抽运过程）使介质造成粒子数反转分布。激励方法有光激励、电激励、热激励和化学激励等。激励源的选择取决于工作物质的特点。因而不同工作物质往往需要不同的泵浦源。3．谐振腔：谐振腔提供光学正反馈作用，使光多次通过腔工作物质，不断被放大，形成往复持续的光频震荡，同时对光束有方向和频率上的限制作用，有效控制腔内实际震荡的模式数目，使大量光子集中在少数几个沿轴向、且满足往返一次位相变化为的整数倍的光子状态数，提高光子简并度，控制谐振频率纵模，控制光束横向分布特性、光斑大小、光束发散角，改变腔内光束损耗。（2）、 激光产生的必要条件原理1. 光放大条件：粒子束反转假设有一个二能级系统，在物质处于热平衡状态下，分布在各能级上的原子个数的多少服从玻尔兹曼分布： (1)为光波模式数。在通常情况下，低能级的原子数密度总是大于高能级的原子数密度，即，则总是有： （2）这是光通过介质时，吸收过程总大于光的受激辐射过程。如果在外来能量激发下，使物质中处于高能级的原子数密度大于处于低能级原子数密度，即， 或者 （3）光的受激辐射大于光的吸收，使物质的输出能量大于入射光能量，这就是光放大过程，就是反转粒子数密度。此时的介质为激活介质或增益介质。对于（1）式，因，要使（2）（3）式成立，介质温度满足，所以粒子数反转状态又称为负温度状态。假设粒子在高能级和低能级上的寿命和分别与它们自发辐射系数和成反比，即，。设单位时间内激发到能级的粒子数为，由于自发辐射影响，处于上的粒子个数保持不变，单位时间内激发到能级上的粒子数必须等于自发辐射消耗的粒子数个数，即： ，同理得： 。由这两个关系得：，，带入到（3）式得： （4） （4）式也是粒子数反转的条件表达式。由此式得，要实现粒子数反转，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数愈多愈好，跃迁到下能级的粒子数愈少愈好；上能级的寿命愈长愈好，愈小愈好。因此在选择激光物质时，要求其激光上能级寿命要长，粒子数要多，下能级粒子要少，寿命要短。（3）、参考文献[1] 南开大学物理科学学院，《激光原理》 ，天津，2006.3[2] 田来科 白晋涛 田东涛，《激光原理》，陕西：陕西科学技术出版社，2004.3[3] 盛新志 娄淑琴，《激光原理》，北京，清华大学出版社，2010.6[4] 北京工业大学，《激光原理》，北京，2007.4