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第五章 激光基本原理和与特性器件【共享精品-】
第五章 激光基本原理和与特性器件;激光基本原理和器件;主要参考书籍;主要内容;激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。 1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器, 1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后,在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展,并带动了一些新型学科的发展,如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等,激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。 与激光有关的诺贝尔物理学奖获得者有: 1964年,美国汤斯、原苏联巴索夫和普洛霍罗夫因在激光理论上的贡献而获奖。 1981年美国肖洛因发展激光光谱学及对激光应用作出的贡献、美国布隆伯根因开拓与激光密切相关的非线性光学共同获奖。 1997年美国朱棣文、科恩和飞利浦因首创用激光束将原子冷却到极低温度的方法共同获奖。 ;激光;5.1 概述;光的粒子性;光的波动性;光的波动性 ;激光的本质;5.2 激光的基本原理;原子的能级;原子的平均寿命;粒子能级之间的辐射跃迁;自发辐射 ;自发辐射特点;;受激辐射 ;受激辐射;受激吸收 ;受激吸收爱因斯坦系数 ;粒子数按能级的分布;玻尔兹曼分布;粒子数在能级上的反转分布 ;5.3激光与激光器;激光器组成 ;灯泵浦的激光器结构图;激光工作物质;激励装置(泵浦源) ;光学谐振腔;光学谐振腔结构;光学谐振腔;光学谐振腔;光学谐振腔;激光模式;横模模式;横模图形及其标记;纵模的选择;利用纵模间隔选择纵模频率 设氦氖激光器 Ne 原子的 0.6328mm 受激辐射光的谱线宽度为Δν;利用纵模间隔选择纵模频率 ;可以存在的纵模频率为 ;纵模模式数;;谐振腔的作用;激光的产生;粒子数反转分布的激励条件 ;粒子数在能级上的反转分布;三能级系统;各能级的粒子数密度变化 应遵从以下的速率方程: 式中 N 为三能级系统中总粒子数密度。 在稳态情况下,各能级上的粒子数密度相对稳定不变,故有 则有: 从以上两式可解得: ;进一步考虑简化的近似条件,设 E 2 和 E 1 的统计权重相等,即 g 1 = g 2 ,且S 32 A 31 , S 32 S 21,根???爱因斯坦关系式得W 12 = W 21 ,而粒子数反转必然是N 2 N 1 ,可得: W13 A21 上式的物理意义是:满足上式条件才能造成 E 2 和 E 1之间粒子数反转分布。这就要求泵浦源有足够强的激励作用,能使粒子由基态能级 E 1激发到能级 E 2 的激发几率大于从能级 E 2 由自发辐射过程回到能级E 1的几率。由式的第三式可以看到,这相当于要求至少要把系统的粒子总数一半以上提升到较高的激发态能级,才可能造成粒子数的反转分布。从式也可清楚地看到,在这样的三能级系统中,E 2能级应是亚稳态,即自发跃迁几率A 21较小,这样在介质中造成粒子数反转分布所必需的激励条件就要低的多。三能级系统激光工作物质的典型例子是红宝石晶体。;四能级系统;各符号的物理意义与三能级系统相同,这里着重指出两点。 1.对于实际的激光工作物质,仍有 S 32 W30 2.激光下能级E1和基态能级E0的间隔一般都比粒子热运动能量kT 大得多,即E1 ? E 0 kT ,这样就保证在热平衡情况下,E1上的粒子数可以忽略。另一方面,当粒子由于受激辐射和自发辐射由E2跃迁到E1后,必须使它们以某种方式迅速地转移到基态,即要求S10较大,S 10也称为激光下能级的抽空速率。类似于三能级系统,我们也可以用速率方程组来描写它的粒子在各能级间跃迁的力学过程。在稳态情况下,速率方程组为: 在一些简化条件下,即S 32 W 30 ,S A 30, S 10 W 12 ,S 10 W 03 , ;设能级E 1和E 2的统计权重相等,即 g 1 = g 2 ,则在这两能级间形成粒子数反转,必然是 N 2 N 1 ,所以可得到实现粒子数反转分布的必要条件为: S 01和 S 10 为能级 E 1和 E 0 之间由于粒子的热运动的交换作用所引起的跃迁几率,通常叫热跃迁几率。在粒子数足够大的情况下,这种跃迁几率较上述其他跃迁几率大。因此,在稳态情况下,从能级E 1跃迁到能级E 0的粒子数应近似地等于从E 0跃迁到E1的粒子数,即有 N 0S 01 ? N1S10 而这两能级间的粒子数密度也应近似地服从麦克斯韦—玻尔兹曼分布规律关系式。因此能级E 1和E 0 间的热跃迁几率近似地有如下关系: ;激光器的振荡条件;激光振荡的阈值条件 ; I3=R2I2
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