清华大学物理课件：激光.ppt

第七章 激 光（2） （编者：华基美） §7.5　光学谐振腔 纵膜与横模 (optical harmonic oscillator) (longitudinal mode and transverse mode) 激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。 激励能源 ? 全反射镜 部分反射镜 ? 激光 §7.6　激光器的纵膜与横模 光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。 阈值条件为 对于可能有多种跃迁的情况， 可以利用阈值条件来选出一种跃迁。 选频之一： 我们可以控制 Ｒ1、Ｒ2的大小： 对 0.6328 ?m ——Ｒ1、R2大 —— Gm 小(易满足阈值条件，使形成激光) ； 对 1.15 ?m 、3.39 ?m ——Ｒ1、Ｒ2小 —— Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。 例如，氦氖激光器 Ne 原子的 0.6328 ?m, 1.15 ?m, 3.39 ?m 受激辐射 光中, 只让波长0.6328 ?m的光输出。 设氦氖激光器Ne原子的 0．6328 ?m受激辐射光 的谱线宽度为??, 如图所示。 ? ? ?0 ?? ?1.3?109 Hz 对于单一的跃迁，还可以利用 选择纵模间隔的方法，进一步 在谱线宽度内再选频。 选频之二： ? ?0 ?0 由于 为什么激光的谱线宽度会 小到 ?? ? 10-8?？ 取绝对值 由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节， 所以有光程 ( k=1、2、3、…．) ?k—真空中的波长 L k=1 k=2 k=3 n —谐振腔内媒质的折射率 可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为 数量级估计： Ｌ～1ｍ； n～1.0； c～３×108 m?s * 第七章 激 光（1） 普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射 前言 激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 第 七 章 激 光 一. 特点： 方向性极好（发散角～10 -4弧度） 脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦） ? 空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。 ? 时间相干性好（??～10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。 相干性极好 亮度极高 按工作方式分 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 三 . 波长：极紫外──可见光──亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ） 二 . 种类： 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） ? ? 按工作物质分 §7.1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发 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： 若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比 数量级估计： T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; E 2-E 1～1eV; 但要产生激光必须使原子激发;且 N2 N1, 称粒子数反转(population inversion)。 原子激发的几种基本方式： 1．气体放电激发 2．原子间碰撞激发 3．光激发(光泵) 演示 §7.2 自发辐射 受激辐射和吸收 一. 自发辐射(spontaneous radiation) 设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。 单位体积中单位时间内， 从E2 ? E1自发辐射 的原子数： E2 E1 N2 N1 h? 写成等式 Ａ21 ?自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光 。 二．受激辐射 (stimulated radiation) E2 E1 N2 N1 全同光子 h? 设 ?（?、Ｔ）……温度为Ｔ时, 频率为 ? = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的 外