激光原理与技术(第1章).ppt

第一章 激光的基本原理 §1 相干性的光子描述 二、光波模式和光子状态 按照量子电动力学概念，利用波动和粒子两种观点，说明：光波的模式和光子的状态是等效的。 光波模式 光子状态 驻波 相空间、相格 §2 光的受激辐射的基本概念 §2 光的受激辐射的基本概念 §2 光的受激辐射的基本概念 一、激光器的基本思想——光放大概念的产生 分析光子的简并度 §4 光的自激振荡 §4 光的自激振荡 §4 光的自激振荡 §4 光的自激振荡 §4 光的自激振荡 纵模和横模 对于激光器，将光波场的空间分布分解为沿光传播方向（腔轴方向）的分布E(z)及垂直于传播方向上的分布E(x,y)。E(z)纵模, E(x,y)横模。 用符号TEMmn标志不同横模的光场分布。TEM表示光波是横电磁波，m、n分别表示在x和y方向光场通过零值的次数。 TEM00模为基模，其它为高次模。 激光束的空间相干性和方向性都与激光的横模结构相联系。 激光是TEM00单横模结构，则同一模式内的光是相干的，且具有最好的方向性。 激光是多横模结构，由于不同模式间的光是不相干的，则激光的空间相干程度减小。同时，多横模说明方向性变差（高次模发散角加大） 激光的方向性越好，它的空间相干性程度越高。 §2 光的受激辐射的基本概念 A21 ：自发辐射爱因斯坦系数 1）只与原子本身性质有关，与??无关 2）是原子在E2能级上的平均寿命?s的倒数 （ ? s 可实验测量） 单位时间内能级E2所减少的粒子数为 2. 受激吸收 (STA) (Stimulated absorption) 理论分析表明，如果黑体内只存在自发过程，则黑体内场??不稳定，因而还存在受激过程。用受激吸收的跃迁几率W12描述这个过程。 注意：受激跃迁和自发跃迁是本质不同的物理过程。即W12与A12不同，它不但与原子性质有关，还与辐射场的成正比，将其唯象表示为 W12=B12 ?? B12只与原子本身性质有关，受激吸收跃迁爱因斯坦系数 §2 光的受激辐射的基本概念 用受激发射的跃迁几率W21描述这个过程。 B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数 3. 受激发射(STE) (Stimulated Emission) 受激发射是受激吸收的反过程 受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（或同一模式） 具有相同的频率、相位、波失和偏振。 §2 光的受激辐射的基本概念 爱因斯坦关系式－ A21 、B21 和B12的关系 热平衡黑体辐 射 公 式 模密度n? 黑体辐射分配到腔内每个模式的平均能量 玻尔兹曼分布 爱因斯坦关系 f1=f2 §2 光的受激辐射的基本概念 说明： 三种过程同时存在，只是有强弱差别； 热平衡情况下两种辐射比较: 自发辐射占绝对优势 3. 热平衡情况下两种受激跃迁过程比较： STA为主 T=1500K,l=500nm 空腔 单位时间STE增加的光子数密度 单位时间STA减少的光子数密度 4. 自发辐射光子可作为受激辐射或受激吸收的外来光子 §2 光的受激辐射的基本概念 受激辐射的相干性。 受激辐射是在外场控制下的发光过程，因而各原子的受激辐射的相位不是无规则的，具有和外界辐射场相同的相位。 受激辐射光子与入射光子属于同一光子态；或，受激辐射场与入射场具有相同的频率、相位、波失和偏振方向，所以，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式（称为全同光子）。受激辐射发出的光是相干光。 激光就是一种受激辐射相干光。 自发辐射：各个处于高能级的粒子都是自发地、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不同；即使频率相同，各列光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，他们可以向空间各个方向传播。自发辐射光是非相干光。 §2 光的受激辐射的基本概念 增益系数 集居数反转 激光器的基本思想 §3 光的受激辐射放大 §3 光的受激辐射放大 黑体辐射源的光子简并度 1 1?m ？ 10-35 0.6?m 300K 1 60?m 300K 103 30cm 300K n ? T 50000K 普通光源在红外和可见波段实际上是非相干光源 W21产生相干光子，而A21产生非相干光子。 提高光子得简并度n，突出受激辐射跃迁，抑制自发辐射跃迁。 如果我们能创造一种情况，使腔内某一特定模式的? ?大大增加，而其它所有模式的模式? ?都很小，就能在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是使相干的受激发射光子集中、在某一特定模式内，而不是均匀分配在所有模式内。 如何实现？ §3 光的受激辐射放大 使相干的STE光子集中在一个或少数几个模内。 技术思想的重大突破 ：封闭腔 开放式光谐振腔 §3 光的受激辐射放大 激光器的基本思想 光波模式的选择；光的受激辐射放大