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Chapter激光(Laser)(修改版).doc
Chapter 27 激 光 (Laser)
(Light Amplication by Stimulated
Emission of Radiation)
“辐射的受激发射光放大”
引言
★普通光源一自发辐射
激光光源一受激辐射
★特点:单色性极好(((~10 - 8埃)
方向性极好(发散角~10 -4弧度)
强度极高(脉冲功率~10 14瓦)
★种类:·按工作物质分
固体(如红宝石Al2O3)
液体(如某些染料)
气体(如He-Ne,CO2)
半导体(如砷化镓 GaAs)
·按工作方式分
连续式(功率可达104 W)
脉冲式(瞬时功率可达1014 W )
★波长:极紫外─可见光─亚毫米
(100 n m) (1.222 m m )
★组成·激励能源
·工作物质(含有亚稳态能级)
·光学谐振腔
★物理过程:·粒子数反转
·光放大作用
·谐振腔的作用
§1 粒子数按能级的分布、原子的激发
一、粒子数按能级的统计分布
1.玻耳兹曼统计分布
由大量原子组成的系统,在温度不太低
的平衡态,原子数目按能级的分布服从
玻耳兹曼统计分布:
2.两能级上的原子数目之比
·若E2 E 1,则有
·数量级估计:
若 T~103 K;
则 kT~1.38×10-20 J ~0.086 eV
而E 2- E 1~1eV
故
但要产生激光必须N2 N1,称
粒子数反转分布
二、原子的激发
几种基本方式:
1.气体放电激发
2.原子间碰撞激发
3.光激发
§2 辐射跃迁
有三种:自发辐射、 受激辐射、吸收。
一、自发辐射(spontaneous radiation)
1.自发辐射的跃迁几率
t 时刻 能级 E2上 有 N2 个原子
t+dt E2 N2+dN2
dt时间内,E2上原子数的变化
dN2 = (A21N2dt , (dN20)
A21---爱因斯坦自发辐射系数
单位时间内从E2(E1的原子数
与E2上原子数N2之比。
一个原子单位时间内发生自发辐射的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、无关的
非相干光 。
2.能级寿命与亚稳态能级
(1)能级寿命
·E2上 的原子有的停留时间长,有的短
在E2上原子寿命范围:从0 ( (
·可证:原子能级的平均寿命和自发辐射系数成反比
·即能级的自发辐射的概率越大则寿命越短
原子在某能级的寿命也称作能级寿命。
(2)亚稳态能级
亚稳态:自发辐射几率很小、寿命很长的
能级。
一般,能级寿命 10-8 ( 10-9 S
如H原子 2p态 ( ( 0.16(10-8 S
3p态 ( ( 0.54(10-8S
亚稳态:如He原子的两个亚稳态能级
(20.55eV) ( ( 10-4 S
(19.77eV) ( ( 10-6 S
二、受激辐射(stimulated radiation)
·设 (((,T)—温度为T时,频率为
( = (E2 - E1) / h附近,单位频率间隔的
外来光的能量密度。
t: E2上 有 N2 个
t+dt: E2上 有 N2+dN(2个
·dt内 E2上原子数变化
dN(2 = (B21 N2 (((,T)dt, (dN(20)
·爱因斯坦受激辐射系数
单位能量密度的光波照射下,
单位时间内
从E2(E1跃迁的原子数与总数之比。
反映一个原子受激辐射的几率。
受激辐射光与外来光的频率、偏振
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