现代光学基础激光原理2章节(914KB).ppt

2. 按工作方式分 激光器的分类 连续激光器、脉冲激光器 3. 按激光技术分 调Q激光器、 锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器 第 2 章 激光产生的基本原理 光的受激辐射基本概念 普朗克——1900年，辐射量子化假设； 波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设； 爱因斯坦——1917年，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。 激光原理 . 第一章 受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规律时首先提出。 黑体辐射研究过程中： 任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。 黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。 空腔辐射体 受激辐射概念的提出 受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃迁。爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。 光和物质三种作用过程： 自发辐射、受激吸收和受激辐射 原子的跃迁 跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。 2.1 原子发光机理 发光前 发光后 1. 自发辐射 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2 自动跃迁至低能级E1，辐射光子, 称为自发辐射。随机过程，非相干光。 自发辐射光子频率： 白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定相同，不是相干光。 2.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射 原子在能级 的平均寿命 A21, 只与原子本身性质有关，与辐射场无关 A21: 自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数） E2 E1 E2能级粒子数密度变化： 2. 受激吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级----光吸收。 低能级E1 高能级E2 光子? W12与原子本身性质和辐射场能量密度有关 受激吸收跃迁几率： E1 E2 E1 能级粒子数密度变化： B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。 发光前 发光后 3. 受激辐射 当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子会在外来光子的诱发下向低能级跃，并发出与外来光子一样特征的光子（全同光子）----受激辐射。 全同光子：频率、相位、偏振方向和传播方向均相同的光子。——相干光子 B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。 W21与原子本身性质和辐射场能量密度有关。 当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程 受激辐射跃迁几率： E2能级粒子数密度变化： 三、爱因斯坦三系数 的相互关系 激光原理 . 第一章 热平衡状态： 辐射率 吸收率 （辐射场总光子数保持不变） E1、E2的统计权重/能级简并度 结论： 1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。 2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。 激光原理 . 第一章 3. 自发辐射的出现随 而增大，故波长越短， 自发辐射几率越大。 §2.3 激光产生的条件 2.3.1 受激辐射光放大 相干光 （激光） 光放大 激光原理 . 第一章 在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子----光放大，激光。 对受激辐射光放大的影响因素： 自发辐射 受激吸收 受激吸收对受激辐射光放大的影响 受激吸收占优势，不能产生光放大 受激辐射 受激吸收 集居/粒子数正常分布: 受激辐射光放大的必要条件：集居数/粒子数反转分布（n2n1） 自发辐射对受激辐射光放大的影响 例：T=300K时，λ=0.6μm, 自发辐射光对激光: 噪声 此时，光源是非相干光源。 例2：λ=1μm时, 欲使R =1, 则： T=50 000K 可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非相干光源。 激光原理 . 第一章 2.3.2 集居数/粒子数反转——光放大必要条件 受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。 粒子数反转分布（集居数反转） 光放大/激光产生的必要条件：粒子数反转分布 受激辐射 受激吸收 2.3.3 激活粒子的能级系统 一般采用三、四能级系统 激活介质：实现粒子数反转分布的介质（分子、原子、离子）。 1、为什么不能用二能级系统 二能级系统不能实现粒子数反转分布 至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。 亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定得多。 激光原理