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§3.1 相干光源、非相干光源 光源器件主要是指电光变换器件。 3.1.1 光源的分类 相干光源：在时间、空间上相位同步的光波形成。 非相干光源：来源于原子或分子体系的自发辐射。 非相干光源包括： 照明光源 气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（固体灯）。 显示光源 液晶显示器、阴极射线管（CRT)、发光二极管（LED）。 信息处理用光源 着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发光二极管、分光分度计光源。 相干光源包括： 激光 气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。 非线性光学器件 主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。 3.1.2 激光的特性 一般通称为激光的四性:单色性、相干性、方向性和高强度。 实际上，这四性质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。 3.2.1 光辐射的量子理论基础 §3.2 激光产生与传播的基础 (2) 自发辐射 (3) 受激辐射 2. 爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 , 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量后,单位时间内从E1 跃迁到E2能级的原子数为： 所以有： 热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为： 结论： 三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言，自发发射系数 A 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大， 就越高，A,B 的比值就越大，也就是 越高自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。 3. 光谱线展宽 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为： 考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为： 由爱因斯坦系数可得： 对于受激辐射： 4.受激辐射下光谱线展宽的类型 （1）均匀展宽 均匀展宽的特点是：引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子联系起来，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。 均匀展宽包括：自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。 3.2.2 光与物质体系相互作用的量子解释 1.两种情况下光与粒子体系的相互作用 1）单色辐射场与粒子体系相互作用 单色辐射场的能量密度为： 上式表明由于谱线展宽， 和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定精确于 的中心频率 才能产生受激辐射，而是在 附近的一定范围内。 2）连续辐射光场与粒子体系相互作用 2.受激发射与光放大 考虑谱线展宽，有 3.3.1 激光产生的必要条件 1. 粒子数反转 光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即粒子数反转。 考虑一个二能级（ ）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为： 由上式可知，光束在传播过程中能量密度得增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类： （1）粒子数正常分布 满足： （2）粒子数反转 满足： 2. 减少振荡模式数 基于方向性、单色性的考虑。 右图表示了谐振腔中光的振荡 （R1＝1，R21） 3.3.2 激光产生的充分条件 1. 起振条件－－阈值条件 由于R21，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡。 这就是说，激光器必须满足某个条件才能“起振”，这个