第1讲激光器基本特性.pptVIP

第1页，共15页，星期日，2025年，2月5日前言1.光是什么？2.辐射概念：4.自发辐射与受激辐射3.激光的特点：方向性好、相干性好、高亮度；5.激光原理课程的目的：激光产生的物理基础和原理。激光与物质的相互作用原理。6.激光技术课程的目的：提高和改进激光的质量以便满足一些特殊应用的需要求。第2页，共15页，星期日，2025年，2月5日一、波尔兹曼分布：热平衡条件下粒子在不同能级的分布规律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，nmnn1.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EnEm第3页，共15页，星期日，2025年，2月5日二、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=E2-E1E1E2第4页，共15页，星期日，2025年，2月5日黑体热辐射与热辐射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3.平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变2.空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体三、光的受激辐射??1896维恩公式（短波适合）：1905瑞利-金斯公式

（长波适合）：第5页，共15页，星期日，2025年，2月5日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。4.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总辐射能量密度:第6页，共15页，星期日，2025年，2月5日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。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。四、光和物质的作用自发辐射的特点：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。图（1-6）自发辐射第7页，共15页，星期日，2025年，2月5日上式可改写为：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：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：四、光和物质的作用第8页，共15页，星期日，2025年，2月5日2.受激辐射(2)受激辐射的特点：只有当时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性一样，如频率、位相、偏振和传播方向式中的参数意义同自发辐射。B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。(3)同理从E2经受激辐射跃迁到E1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，则有：(1)受激辐射：高能级E2上的原子当受到外来能量的光照射时向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，如图（1-8）所示。跃迁选择定则！图（1-8）光的受激辐射过程四、光和物质的作用第9页，共15页，星期日，2025年，2月5日(5)注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受