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激光原理与技术第一章激光的基本原理及其特性激光：LASERLight Amplification for Stimulated Emission of Radiation（受激辐射光放大）从词义上看：激光应具备光是受激辐射产生的必须有光放大过程中文来历: 1964年12月采纳钱学森的建议激光的特性激光的特性：亮度光, 高相干性, 高方向性, 单色性, 高阶相关单色性是指光强按频率(波长)的分布状况。激光的频率受以下条件影响：腔长变化, 泵浦, 温度, 震动, 能级分裂激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度Δν= ν2- ν1(线宽)描述。由知 , 线宽也对应着一定波长宽度工程上一般也用或来度量线宽的大小.相干长度:两列光波间允许的最大光程差 Lc Lc=C Δt激光一次受激辐射的持续时间:Δt ≈1/Δν∴Lc=CΔt=C/Δυ=λ2/Δλ∵tc ≈ Δt∴tcΔυ=1背景知识-辐射理论概要一、光量子学说及波粒二象性 1 .光具有反/折射、衍射、干涉、光电效应2 .光量子学说——Einstein普朗克量子假说（黑体吸收现象） (1) 绝对黑体又称黑体：某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射。自然界中绝对黑体是不存在的 (2) 空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体(3) 平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变，导致空腔内存在着完全确定的辐射场。(4) 黑体辐射的普朗克公式在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中与温度T及频率的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式1905年Einstein光量子学说光的能量是不连续的，光由一粒粒的光子组成，每个光子的具有确定的能量。只能作为一个整体被吸收或产生。根据爱因斯坦的质能方程:E=MC2 E=hv二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布1、原子能级玻尔理论:电子非任意轨道,且是一定半径或能级的轨道定态:处在一定轨道上的电子基态:能量最低的定态激发态:除基态以外的其他定态电子运动状态的变化要吸收或者释放能量: hv=E2-E1定态限制:即电子的轨道运动的角动员P必须等于h/2π的整数倍: PФ=nh/2π玻尔量化条件 n为整数主量子数2.简并度、简并能级从图上看出： 1)、电子运行的状态不同，其能量相同。 2)、能量相同的能级对应不同的电子运动状态。简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫简并能级 3.玻尔兹曼分布gi 为Ei能级的简并度, K为常数,T为绝对温度当EuEl能级对应的粒子数目：结论: 高能级的粒子数目少于低能级的粒子数目第三节激光产生的必要条件一、光与物质之间的相互作用1.自发跃迁(辐射)原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级Eu以几率Aul自动跃迁到低能级El, 这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.其中 Aul为自发辐射跃迁几率或者Einstein系数与原子本身的性质有关设Eu能级的单位介质中粒子密度为Nu 也称粒子数同理El,Nl 则Nu的变化速度为 2 则有τu称为能级Eu的自发跃迁寿命特点: 辐射光没有固定频率、相位、偏振方向和传播方向2.受激跃迁(吸收/辐射)当原子受到能量密度为ρ,频率为1式的光场作用,发生:1）受激吸收原子吸收外来光子能量hv=Eu-El, 并从低能级 El跃迁到高能级 Eu, 这个过程称为受激吸收跃迁的几率为:Wlu=Blu ρBlu受激吸收跃迁Eistein系数Eu的原子数增加为2）受激辐射原子中处于高能级Eu的电子,会在外来光子(其频率恰好满足(hv=Eu-El)的诱发下向低能级El跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.跃迁几率: Wul= Bulρ Blu为受激辐射Eistein系数实验证明：受激辐射与入射场具有相同的频率、相位、偏振方向和传播方向，具有很好的相干性英国Dirac发现当受激吸收大于受激辐射与自发辐射之和时光衰减当受激吸收大于受激辐射但小于受激辐射与自发辐射之和时光增强? 减弱?当受激辐射大于受激吸收时光增强3. Einstein 三个系数之间的关系Aul Blu Bul取决于原子的性质与辐射场无关光强：增益系数：单位G=m-1根据Boltzman分布规律，在热平衡状态下，Nu Nl, 即只有实现粒子数反转分布才产生光放大必要条件：物质处于粒子数反转分布状态第四节激光产生的充分条件饱和光强通俗的激光产生的条件：1：增益介质 ------易于粒子数反转分布2：泵浦 ----粒子数反转分布 G