量子物理学05-光的辐射和吸收与激光20151002.doc

一、 原子在能级上的统计分布 由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布： k=1.3806488(13)×10-23J/K为玻尔兹曼常数。若E2E1，则两能级上的原子数目之比 对于氢原子，Enn2成反比，在常温下T = 300K)），处在第一激发态的氢原子数与处在基态的原子数比 二、自发辐射 、受激辐射和受激吸收 原子吸收光子后可发生两种过程：从低能态跃迁到高能态（受激吸收），也可从高能态跃迁到低能态（受激辐射）。原子还可自发从高能态跃迁到低能态而发光（自发辐射） 1、自发辐射spontaneous radiation） 设N1、N2为处于E1、E2能级的原子数，单位时间内从E2→E1自发辐射的原子数应与初始原子数成正比 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光当频率为的外来光入射时，会引起高能态的原子跃迁到低能态→E1受激辐射的原子数为 W21为单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同的相干光全同光子，有光放大作用。 当频率为的外来光入射时，会引起能态原子跃迁到能态 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1→E2的原子数 W12为单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。 A12、W21和W12并不独立，爱因斯坦给出了三者之间的关系了，例如W21W12，为激光的发明（受激辐射的光放大）奠定了理论基础。 三、粒子数反转和光放大 实际的发光媒质由大量原子构成在热平衡时遵从玻耳兹曼分布，大部分原子处在基态上 宏观上表现为对光的吸收，达不到对光的放大目的 如果原子的分布是N2N1，称为粒子数分布反转，则 受激辐射占主导地位，宏观上表现为辐射，可实现光的放大。处于粒子数反转分布的介质称为激活介质，它正是激光器的工作物质。 普通光源蜡烛、太阳、白炽灯等光是自发辐射的 激光的特点：方向性好（发散角10-4 rad）；单色性好（Δλ10-8?）；强度大（脉冲瞬时功率可达1014W）。 激光器的种类一台激光器主要由三部分组成：工作物质、光学谐振腔和激励能源 2、工作物质粒子数反转的实现 不同种类的激光器实现激活介质粒子数反转分布方式不同。对于He-Ne气体激光器主要是利用He原子的亚稳态实现的（一般原子激发态的寿命10-8s，但也有些激发态的寿命长达10-3s甚至长达1s，称这种长寿命的激发态为亚稳态）实际工作物质原子能级结构要复杂的多，可能存在几对能级之间的粒子数分布反转，相应有发射几种波长的激光。例如，氦氖激光器可以发射0.6328μm1.15μm、3.39μm等波长的激光。 若无谐振腔，激活介质初始自发辐射的光是传播方向各向同性的非相干光 谐振腔抑制了传播方向与轴线不平行的光，放大了沿轴线方向传播的光。 图示为氦氖激光器Ne原子的0.6328μm受激辐射光的谱线自然展宽示意图，自然宽度高达Δν≈1.3×109Hzn为谐振腔内媒质的折射率，λ真空中的波长 可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为 利用加大纵模频率间隔的方法，可以区间Δν中只存在一个纵模频率 （3）谐振腔内布儒斯特窗口的作用 在气体激光器中，由于谐振腔的结构不同可分为内腔式和外腔式激光器。 内腔式激光器两个端面上的反射镜是放电管的一部分。其结构简单，但由于谐振腔长度不可调节，产生激光的频率是固定的，而且是非偏振的。 外腔式激光器的两个反射镜安放在放电管的外侧。其优点是谐振腔长度可调节。但因为增加了两个放电管的封口，会增加激光器的反射损耗。但若每个封口倾斜角正好等于布儒斯特角时，两个封口对于偏振方向平行于入射面的光是透明的，减少了反射损耗，这种偏振光可被放大而形成激光。