激光原理及应用第一章详解.ppt

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激光原理及应用第一章详解

二、时间相干性和单色性 单色性越高,相干时间越长。对于单横模激光器,其单色性取决于它的纵摸结构和模式的频带宽度。如果激光在多个纵横上振荡,由多个相隔(纵模间隔)??的不同频率的光所组成,故单色性较差。 理论分析证明,单模激光器的谱线宽度极窄 例如,对单模输出功率P0=1mw的He-Ne激光器.取?=0.01,L=1m,则??为5 ×10-4Hz 在实际的激光器中,不稳定因素(如温度、振动、气流、激励等)导致光腔谐振频率的不稳定.因此单纵模激光器的单色性主要由其频率稳定性决定 单模稳频气体激光器的单色性最好.固体激光器的单色性较差。半导体激光器的单色性最差 三、激光的高强度(相干光强) A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。 爱因斯坦在 1917年从理论上得出 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上 获得激光奠定了理论基础。 B21 = B12 自发跃迁的爱因斯坦系数A21 的意义: A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命?S 的倒数 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、受激辐射的相干性 自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的.因而是不相干的。此外,自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的,自发辐射平均地分配到腔内所有模式上。 受激辐射 在外界辐射场的控制下的发光过程,因而容易设想各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布,而应具有和外界辐射场相同的相位。 在量子电动力学的基础上可以证明:受激辐射光子与入射(激励)光子属于同一光子态;或者说,受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢(传播方向)和偏振,因而,受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。 大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射处于同一光波模或同一光子态,因而是相干的。 §1-3 光的受激辐射放大 一、光放大概念 普通光源在红外和可见光波段是非相干光源 例:黑体辐射源的光子简并度 对?= 30cm(微波),n?103 黑体基本上是相干光源 T=300K: 即使提高黑体温度,也不可能对其相干性有根本的改善。 n?1 , ?= 1?m,黑体温度高达50000K。 对?= 60?m (远红外辐射), n?1 而对?= 0.6?m (可见光), n?10-35,即在一个光波模内的光子数是10-35个,(完全非相干光源)。 2.光放大的概念——激光器的基本思想 受激辐射产生相干光子,而自发辐射产生非相干光子。能使腔内某一特定模式(或少数几个模式)的?? 大大增加,而其它所有模式的?? 很小,就获得一个或少数几个模式高的光子简并度。 光谐振腔: 将一个充满物质原子的长方体空腔(黑体)去掉侧壁,留两个端面壁。如果端面腔壁对光有很高的反射系数,则沿垂直端面的腔轴方向传播的光(相当于少数几个模式)在腔内多次反射而不逸出腔外,而所有其它方向的光则很容易逸出腔外。可实现光波模式的选择。 光的受激辐射放大:若轴向模式不是被原子吸收(受激吸收),而是由于原子的受激辐射而得到放大,即获得极高的光子简并度。 二、实现光放大的条件——聚居数反转 在物质处于热平衡状态时,各能级上的原子数(或称集居数)服从玻尔兹曼统计分布 即在热平衡状态下,高能级聚居数恒小于低能级聚居数 . 处于热平衡状态下的物质只能吸收光子 若 n2n1 物质的光吸收可以转化为自己的对立面——光放大。 集居数反转(也可称为粒子数反转)。只有当外界向物质供给能量(称为激励或泵浦过程),从而使物质处于非热平衡状态时,集居数反转才可能实现。激励(或泵浦)过程是光放大的必要条件。 三、光放大物质的增益系数与增益曲线 激活物质(或激光介质):处于集居数反转状态的物质。一段激活物质就是一个光放大器。 放大(或增益)系数: 表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。 光在介质中传播的物理图像 若n2(z)-n1(z)与z无关,则G(z)为常数 增益饱和效应:n2(z)-n1(z)随I增加而减少,因而增益系数G(z)也随I的增加而减小的效应。 单位体积内聚居数差值 I0为饱和光强。G0小信号增益系数( I I0 )。 I I0不满足时称为大信号增益系数(或饱和增益系数) 增益系数也是光波频率? 的函数,G(?,I)随?的变化曲线称为增益曲线,? ? 称为增益曲线宽度。 §1-4 光的自激振荡 一.自激振荡概念 损耗系数:光通过单位距离后光强衰减的百分数 激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分,光腔的作用如下: 1.模式选择。保证激光

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