第六章 激光概述.pptVIP

* 激光的纵模 激光的频率特性： I υ △υ υo 频率或波长有一定的宽度 如氦氖激光 △υ104/s 谐振条件 决定的中心频率间隔满足： — 对一定的光腔为一常数 υ υq-1 υq υq+1 △υ 二、激光的纵模与横模 纵模：光腔内沿轴方向（纵向）形 成的每一种稳定的驻波分布 称为光腔的纵模。 注意：光学谐振腔可以形成的纵模很多，但只有适合工作物质的能级结构，并满足振荡的阈值条件的纵模才能形成激光输出。 只能形成一个纵模频率输出——单频（单纵模）激光器 能形成多个纵模频率输出——多频（多纵模）激光器 * 激光的横模 形成激光的光斑：光强分布不均匀 横模：激光光斑内稳定的不均匀的光强 分布称为激光的横模。 原因： 反射镜对光 波的衍射 * 第六章 激光概述 激光（Laser）——受激辐射 1960 —— 世界第一台激光器研制成功 （红宝石激光器） 激光光源——亮度高、方向性好、 单色性好，相干性好 §6-1 激光原理基础 §6-2 激光的形成 §6-3 光学谐振腔 §6-1 激光原理基础 一、原子的能级和能级跃迁 1、原子的能级 分立 基态 E0 激发态 E1 E0 (能量低) E1 (能量高) 2、辐射跃迁 E0 E1 辐射——以光的 形式放出能量 选择定则： 也可吸收光子能量由低能态跃迁到高能态 3、无辐射跃迁 与外界交换能量发生能级变化，但能量的交换方式不是吸收或发射光子，而是其他方式，如与其他粒子的碰撞。 4、激发态与亚稳态 能量越低越稳定 基态最稳定 激发态——10-7~10 -9 s 亚稳态——10-3s或更长 二、光子吸收与辐射 1、玻尔兹曼（Boltzman）分布 热平衡下处于各能级上的粒子数按能级满足一定的分布规律——玻尔兹曼分布 E—能级能量 T—绝对温度（ 开尔文） K—玻尔兹曼常数，K=1.38062×10-34JK-1 g —比例因子 若E2E1，有： 即： 表明：高能级上的粒子数总小于低能级上的粒子数。 为热平衡下满足的粒子数按能量分布——正常分布 2、光的自发辐射、受激吸收与受激辐射 *自发辐射 E0 E1 自发过程 特点： 只与原子本身的性质有关，而与外界辐射场无关； 各原子间发光独立，无相互影响； 发出的光彼此无关，为非相干光。 *受激吸收 E0 E1 特点： 不仅与原子本身的性质有关，还与辐射场的特性（能量密度）相关（与能量密度成正比）。 在辐射场的激励下发生 *受激辐射 E0 E1 特点： 不仅与原子本身的性质有关，还与辐射场的特性（能量密度）相关（与能量密度成正比）； 在辐射场的激励下发生 辐射光子与激励光子的性能相同。 注意： 在处于两个能级上粒子数大量存在的情况下，自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程是同时存在的。 * 自发辐射与受激辐射的比较 热平衡下 表明：热平衡下对光波而言，总是自发辐射 占绝对优势。 三、光在介质中的放大（增益） * 粒子数反转分布 在破坏了热平衡情况下，可使 ——粒子数反转分布 产生粒子数反转分布的条件： （1）物质必须具有合适的能级结构（内因） （2）有必要的能量输入系统（外因） —— 激励 或 泵浦 * 光在增益介质中的放大 增益介质（激活介质） — 具有实现粒子数反转分布能力的介质 增益介质 Io I z z I Io 0 实现了粒子数反转分布 为线性增益或小信号增益 * 增益介质增益系数G的特性 激励光的线型函数g(γ)： 结论： （1）增益系数G与两能级粒子数 密度差成正比； （2）与光子的能量（hγ）和线 型函数g(γ)成正比。 G: 要点： 热平衡下，同时存在三种能级跃迁现象，但以自发辐射为主； 非热平衡下才可能实现粒子数反转分布，并需要外界提供能量； 光在增益介质中可以实现光放大，增益系数与两能级粒子数密度差和光子的性能相关。 粒子数反转分布和实现光放大是形成激光的基本条件。 §6-2 激光的形成 一、激光器的基本结构 三部分：工作物质、光学谐振腔、 激励能源（泵浦） 工作物质 激励能源 激光 * 激光工作物质 — 实现粒子数反转 进行受激辐射的光放大 固体 ~ 晶体、玻璃 气体 ~ 原子气体、离子气体和分子气体 半导体、液体等 对激光工作物质的要求： 需要的能级间能实现较大的粒子数反转分布 *