[理学]第一章激光基本性质.ppt

=d Threshold condition—laser oscillation condition d －single trip losses, that is characterised average intensity attenuation in one trip of traveling in cavity ?－average loss coefficient in the cavity, included losses in active medium and cavity (in detail presented 2.1) 总结 光和物质的三个作用：自发辐射，受激辐射，受激吸收 爱因斯坦关系：A21 ,B21 and B12 传统激光器包含的三要素及其功能 一些重要的物理概念及参数 粒子数反转， 增益介质（激活介质）， 增益（损耗）系数， 小信号/大信号增益， 粒子数饱和，饱和强度， 极限值强度，阈值条件 总结： 光波模式的描述（驻波条件）； 激光的四个基本特点:(单色性好；方向性好；相干性好；亮度高）； 辐射跃迁(光和物质相互作用)包括的三种基本过程； 自发辐射、受激辐射和受激吸收，三个爱因斯坦系数及其相互关系; 自发辐射和受激辐射的特点，自发辐射和受激辐射强度的比较; 单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度; 实现受激光放大的条件; 激光器的基本结构，各有何作用; 激光的横模与纵模； 激光空间与时间相干性的。 * （一） 原子能级、简并度 1. 原子中电子的状态由下列四个量子数来确定： 主量子数n，n＝1，2，3，…代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分 辅量子数 , 代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对 等的电子顺次用s, p, d, f字母表示 磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，±1，±2，… ± 代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量 自旋量子数（即自旋方向量子数）ms= ±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量 s s s P P d 例：计算每一个壳层（ ）和次壳层（2(2l+1)个）可以容纳的最多电子数 §3 自发辐射、受激辐射与受激吸收（光和物质的相互作用） 2. 电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态 电子的能级，依次用E0，E1，E2，… En表示 基态：原子处于最低的能级状态 激发态：能量高于基态的其它能级状态 简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目 3. 图(1-3)为原子能级示意图 E0基态 E1 E2 En 激发态 例：计算1s和2p态的简并度 二： 波尔兹曼分布（统计分布） 1. 现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律： 式中 —Ei的简并度；k—波尔兹曼常数；T—热平衡时的绝对温度； ni—处在Ei能级的原子数 2. 分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系 3. 为简单起见，假定 讨论：1） ， 2） ， 3）T0且EmEn ，nmnn 玻尔兹曼统计分布： 三：辐射跃迁和非辐射跃迁 1. 辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象 2. 非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量 四：黑体辐射 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 空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体 平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变 辐射能量密度公式 单色辐射能量密度 ：辐射场中单位体积内，频率在 附近的单位频率间隔中的辐射能量 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 式中k为波尔兹曼常数。 总辐射能量密度 : 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 受激跃迁 1. 自发辐射 定义: 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。 特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。 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