[第16章早期的量子论]张雅鑫概述.ppt

处于激发态的原子，在自发辐射前受到能量hv=E2-E1的外来光子的剌激，从高能态E2跃迁到低能态E1，同时辐射出一个与外来光子状态相同的光子。这种辐射称为受激辐射。 特点:受激辐射辐射发出的光子状态(频率、相位、偏振状态以及传播方向)完全相同。 E1 E2 图21-12 受激辐射 - E2 -E1= hv 一个光子的输入, 由于受激辐射而得到两个完全相同的光子，这两个又可变为四个……这就形成了雪崩式的光放大过程。 由于受激辐射出的大量光子状态(频率、相位、传播方向、偏振态)相同，即光子简并度大，所以受激辐射发出的光相干性好，亮度极高, 从而出现光源的质的飞跃。 因此，受激辐射是形成激光的基础。 有了受激辐射,是否就能得到激光输出呢？ 否！要知道，光通过工作物质时，不仅有受激辐射形成的光放大，还有光的吸收。 根据玻耳兹曼分布律，通常温度下，处于低能态的原子数总是多于处于高能态的原子数。这叫正常分布。光通过这种煤质时，吸收光子的原子多，受激辐射发出光子的原子少，因此光通过这种煤质时总的效果是光强减弱。 要获得真正的光放大，必须使受激辐射胜过光的吸收而占优势, 这就要求处于高能态上的原子数N2多于低能态原子数N1, 这种分布称为粒子数反转分布。 实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 三.粒子数反转 一个激光器由三个基本部分组成: 激光工作物质、激励(能源)装置和光学谐振腔。 图14-13 激光器的组成 全反射 反射99% 工作物质 光学谐振腔 . . . . . . . . 激励装置 一.激光器的组成 §14-7 激光器原理 因此，寻找容易实现粒子数反转的工作物质是制造激光器的关键。 实现粒子数反转的两个条件是： 第一,外界向工作物质输入能量,把尽可能多的原子从低能级激发到高能级,这一过程称为激励(也称为抽运或泵浦)。 第二, 工作物质要有(能发生粒子数反转的)适当的能级结构。 上节讲到，光只有通过粒子数反转的工作物质(激活介质)时，才能获得真正意义上的光放大。 三能级系统 当泵浦光足够强时，有可能使 ,在能级E3 于E2 间实现粒子数反转。 E 3 E 1 2 E N 2 1 N 3 N E 0 N E 3 E 1 2 E N 2 1 N 3 N E 0 N 亚稳态能级 1960年7月由梅曼等人制成的世界上第一台激光器,就是红宝石激光器。 红宝石是一根掺有0.05%铬离子的Al2O3晶体棒。 这个激光器是一个典型的三能级系统的激光器，如图21-14所示。 图21-14 铬的工作能级 E1基态 E3激发态 E2亚稳态 光抽运 550nm 入射光光泵 快衰变(无辐射) 694.3nm激光 二.红宝石激光器 三.He-Ne激光器 6328? 碰撞交 换能量 亚稳态E2 基态E1 He Ne E1 E2 E3 图21-15 电子碰撞激励 ? ? 以上激光器, 其发光过程都是束缚电子发生受激辐射发出激光。其缺点： 一是发出光的波长由原子能级确定，因而无法调节。 二是受介质耐热性的限制，难于提高输出功率。 四. 自由电子激光 只要电子的速度与波荡器磁极的空间周期配合适当，不断发出的电磁波就会相互加强，并在两反射镜间发生谐振。 前进中的电子与它发出的光子发生受激康普顿散射而形成极强的相干光，这就是自由电子激光。 特点: 波长可调, 高功率。 激光束 N S N S N S S N S N S N S N S N 图21-16 反射镜 高能电子束 五. 光学谐振腔 虽然光通过粒子数反转的工作物质能实现光放大，但由于初始光子来自自发辐射，同时这种光子又不只一个，所以这样的受激辐射所辐射出的光的频率、相位、偏振状态、传播方向并不完全相同。 要得到频率、相位、偏振状态、传播方向完全相同的激光束, 还要一个新装置—光学谐振腔。 光学谐振腔的作用有三： 1.产生和维持光放大。 图21-17 光学谐振腔 全反射 反射99% . . . . . . . . 输出激光束 2.改善方向性。 凡是传播方向偏离腔轴方向的光子，很快逸出