激光原理与技术--第一章 辐射理论概要与激光产生的条件.pptVIP

受激辐射： E2 E1 在dt时间内由于受激辐射增加的光子数密 度为： 则光穿过介质后净增加的光子数密度为： 受激吸收： 在 dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为： 频率为的 准单色光射向介质，在介质中z处取厚度为dz，截面为单位截面的一薄层。 分析： 讨 论： dN 0，光放大，粒子数反转分布 dN 0，光减小，正常分布状态 泵浦源（电，光，热，化学，核，电磁等）提供粒子数反转分布。 减少振荡模式数—谐振腔的作用 工作介质长度L有限 使 很小 解决：提供反馈，无限延长L 工作介质中受激辐射频率成分多 能级对数多 使激光相干性差，光强度很小 解决：提供有条件的反馈 举例：最简单的F-P腔（由两面平面镜构成） 泵浦 R1 R2 只有一个方向的光可以稳定通过，从而方向性好。 光可以（无限次）往返，相当于L无限大，从而有高亮度。 能稳定存在的条件是：满足驻波条件，从而有高相干性。 起振条件—阈值条件 增益：（增益系数G） 用外界能源将介质造成 粒子数密度反转分布的状态 令 式中G(增益的相对速率)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，将G称为增益系数。 则有： 光在谐振腔内的损耗 单程损耗： R21,必需的 M1，M2的吸收（4%的损耗） 工作介质的吸收，反射，散射 …等… 分析： 当 光增益光损耗 时，形成激光 光增益的最低限度：光增益=光损耗，得到 增益阈值Gth 稳定振荡条件—增益饱和效应 当出现增益饱和效应时，激光稳定输出 当 光为弱光时，G是常数 当 光为强光时，G为变量，且光强越大增益越大 则当光为强光时，增益系数渐渐减小，增益也越来越小，最终出现增益饱和效应 只要 直到 得到： 激光稳定输出 增益饱和过程： t=0 ： t0 : 邓锡铭 王之江 邓锡铭先生最欣赏王淦昌先生的一句名言 “学习是享受”。 学无止境，也是一种快乐的享受，让我们向前辈们学习，努力奋斗！ 理论证明：量子电动力学从理论上把光的电磁波动理论和光子微粒伦理在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而从理论上证明阐明了光的波粒二象性。 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程： 自发辐射 受激辐射 受激吸收 自发辐射 自发辐射: 高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子。 自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。图（1-6）表示自发辐射的过程。 对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率。 式中“－”表示E2能级的粒子数密度减少；n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数）；dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数。 图（1-6）自发辐射 上式可改写为： A21的物理意义为：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。 上方程的解为： , 式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。 自发辐射的平均寿命 ：原子数密度由起始值降至它的1/e的时间 设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为： 已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为 ，某时刻激发态的原子数密度为n2(t)，则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为： 式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数 (2) 同理从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，且低能级E1的粒子数密度为n1，则有： 受激吸收 (1) 处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。如图（1-9）所示。 (3) 同理令 ，则有： 则W12(即受激吸收几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度 的光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。 图（1-9）光的受激吸收过程 受激吸收 受激吸收跃迁几率W12 E1 E0 受激辐射 自发辐射 由原子自发跃迁发出的光波 E1 E0 受激辐射简易原理图 . . 。 发光前 发光后 受激辐射的光放大示意图 受激辐射