华科激光原理-第2讲 激光产生机理与特性.ppt

激光原理与技术·原理部分 第二讲 激光产生机理与特性 第一讲复习 什么是激光？--受激辐射光放大 LASER： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光的理论基础 爱因斯坦的受激辐射理论 粒子数反转是LASER产生 的必要条件 复习 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。 2.1激光产生的机理 2.1.1 理论体系 2.1.2 黑体辐射与普朗克公式 2.1.3 自发辐射 2.1.4 受激辐射 2.1.5 受激吸收 2.1.6 跃迁几率之间的相互关系 2.1.7 受激辐射的相干性 2.1.9 光的自激振荡 2.1.1 理论体系 经典理论（Classical Laser Theory） 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子 半经典理论（Semiclassical Laser Theory） 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述 量子理论（Quantum Laser Theory） 电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理 速率方程理论（Rate Equation Theory） 量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性 2.1.1理论体系 激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性； 不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论； 本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。 2.1.2黑体辐射与普朗克公式 黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。 黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等，即处于能量平衡状态，这 将导致空腔内存在完全确定的辐射场。 这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。 2.1.2黑体辐射与普朗克公式 普朗克公式： 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率 的函数，并可以用单色能量密度 描述， 表示单位体积内，频率处于 附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，其量纲为 。 为了解释实验测得的 分布规律，普朗克提出了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T的热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率 附近的所有模式上,任意模式上的平均能量为： (1) 2.1.2黑体辐射与普朗克公式 而腔内单位体积中，频率处于 附近单位频率间隔内的电磁场模式数： (2) 所以可以得到黑体辐射的普朗克公式(单色能量密度)： (3) 其中K为玻尔兹曼常数： 2.1.3 自发辐射(Spontaneous emission) 处于高能级E2的原子自发的向较低能级 E1跃迁，并发射一个能量为 的光子，这种过程称之为自发跃迁， 发出的光波称为自发辐射。 假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为： 其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。 自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。 2.1.3 自发辐射(Spontaneous emission) 按照定义： 从上式可以解出： 自发辐射的平均寿命 定义为原子数密度由起始值降至它的1/e的时间，则高能级原子数随时间变化可表示为： 通过比较可以得到： ，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性质决定的，不受外部辐射场的影响。 2.1.3 自发辐射(Spontaneous emission) 如何确定自发辐射系数？ 生活中的自发辐射？ 2.1.4受激吸收(Stimulated absorption) 如果黑体原子和外加电磁场之间的 相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持 腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预