第8章激光基础概述.ppt

主要内容 §8.1 自发辐射与受激辐射 主要内容 8.1.1 原子能级及粒子数布居 本节重点 §8.2 激光的产生与激光器 主要内容 本节重点 光波在光学谐振腔内形成稳定振荡的条件：满足相长干涉条件，形成驻波。 (1) 纵模 纵模：光场沿谐振腔纵向传播的不同振动模式——不同频率的驻波。 ， j=1, 2, 3, ··· (8.2-8) L: 为腔长；n：激活介质的折射率；j：腔内的波腹数。 (8.2-9) (8.2-10) 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8.2.5 激光的纵模和横模 谐振腔满足驻波条件的频率成分： 纵模间隔： 图8.2-5 激光的纵模 n0 -Dn/2 n Dn/2 DnL (8.2-11) 说明：由驻波条件确定的频率只是谐振腔允许的谐振频率，其中只有落在增益介质辐射线宽内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能形成稳定的激光。 激光器输出的频率个数（纵模数）： 8.2.5 激光的纵模和横模 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 横模：谐振腔内光场沿横向的稳定分布。 意义：激光束在腔内往返一个来回后能够再现其自身的一种光场分布状态，一般用TEMmn表示模式（m，n：光斑沿x和y方向出现的暗区数目） 分类：轴对称模，旋转对称模。 说明：为获得高质量光束，实验中一般希望激光器工作在单模输出状态。 (2) 横模 图8.2-6 激光的横模 TEM00 TEM20 TEM03 TEM11 TEM10 TEM01 8.2.5 激光的纵模和横模 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 (1) 固体激光器（红宝石、YAG） 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8.2.6 几种典型的激光器 典型的固体激光器：红宝石激光器（694.3nm），钕（Nd）玻璃激光器（1064nm），掺钕钇铝石榴石（YAG:Nd）激光器（1064nm），钛宝石（Al2O3:Ti）激光器（660-1180nm） 结构特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率（能量）大 连续工作方式：输出功率可达100W以上 增益介质：均匀掺入少量激活离子的晶体或玻璃 脉冲工作方式：峰值功率可达109W以上 红宝石激光器：增益介质——红宝石棒（Al2O3:Cr晶体），典型的三能级粒子体系，辐射波长为694.3nm，脉冲高压氙灯泵浦。 红宝石激光器的发明者——梅曼 第一台红宝石激光器的结构图 8.2.6 几种典型的激光器 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 (2) 气体激光器 典型的气体激光器：氦氖（He-Ne）激光器，氩离子激光器，二氧化碳（CO2）激光器，氦镉（He-Cd）激光器，铜蒸气激光器，氮分子激光器，准分子激光器 结构特点：结构简单，造价低，操作方便，能长时间较稳定地连续工作，并且输出光束的方向性好、单色性好 泵浦方式：较多的为气体放电，也可以化学泵浦、热泵浦 增益介质：气体或金属蒸气 8.2.6 几种典型的激光器 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 最早研制成功的，也是最常用的一种中性原子气体激光器。最强的输出波长为632.8nm、1.15nm和3.39nm。 ① 氦氖（He-Ne）激光器 贝尔实验室的A. Javan, W. Bennett和 D. Herriott 在调试世界上第一台输出1.15微米连续光束的 He-Ne激光器（1960年）。 8.2.6 几种典型的激光器 8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 第8章 激光基础 §8.1 自发辐射与受激辐射 §8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8 激光基础 1. 原子数能级及粒子数布居 2. 自发辐射、受激辐射和受激吸收 3. 爱因斯坦公式 4. 粒子数布居反转与光放大 5. 能级寿命 8.1 自发辐射与受激辐射 8 激光基础 玻尔的量子化原子体系模型： (8.1-1) 吸收或辐射的光子能量与能级差的关系： 光吸收与光辐射过程：能级跃迁过程 8.1 自发辐射与受激辐射 8 激光基础 原子的能量状态取一系列分立值。每一个能量状态称为原子的一个能级，其中最低的能级称为基态，高于基态的能级称为激发态。在热平衡状态下，各能级上的粒子数布居服从一定的统计规律。 (8.1-3) 当E2E1时，N2N1。表明在热平衡状态下高能级上的粒子数布居总是小于低能级，且两者的比例取决于体系的温度。 一般地，在热平衡状态下，几乎所有的原子都处于最低能态——基态。 8.1.1 原子数能级及粒子数布居 8.1 自发辐射与受激辐射 8 激光基础 (8.1-2) 两个能级E1与E2上的粒子数布居之比： 在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布律： T：热平衡温度； Nn：能级En上的粒子数布居； k：玻耳兹曼常数。 (1