光电子学第2章1.pptVIP

§2.1 粒子数反转与光放大 A21、B21、B12的相互关系 受激辐射的相干性 激光产生的必要条件 自发辐射：是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。 受激辐射：是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而容易设想各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布，而应具有和外界辐射场相同的相位。 可以表述为：受激辐射光子与入射(激励)光子属于同一光子态；或者说，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式（同一光子态）。因而是相干的。 光放大概念的产生 实现放大的条件＿集居数反转 光放大物质的增益系数和增益曲线 讨论 因为E 2＞E1，所以n2n1，即：高能级的集居数恒小于低能级的集居数。 当频率 的光通过物质时，单位时间内受激吸收光子数n1W12恒大于受激辐射光子数n2W21，即：该物质只能吸收光子。 如果使n2＞n1，称为集居数(粒子数)反转，则光通过该物质可以实现光放大－光放大条件 光放大手段：必须是在非热平衡态下，外界向物质提供能量（称做激励，抽定或泵浦）。因此，激励（泵浦）过程是光放大的必要手段。 c、光放大物质的增益系数和增益曲线 激活介质（激光工作介质）：处于集居数反转状态的物质称为激活介质。一般激活介质就是一个光放大器。 增益系数：放大作用的大小用增益系数G来描述： §2.1粒子数反转与光放大 §2.2 光学谐振腔 光学谐振腔的作用 光腔的纵模(横模) 损耗系数：光通过单位距离后，光衰减的百分率 同时考虑增益和损耗： 激光产生的条件 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构； 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转； 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性 §2.2 光学谐振腔 光学谐振腔的作用 光腔的纵模(横模) §2.2光学谐振腔 * 2.1 粒子数反转与光放大 2.2 光学谐振腔 2.3 激光器基本结构与激光形成过程 2.4 激光的特性 2.5 激光器速率方程 2.6 介质的增益系数 第二章 光放大与振荡—激光器原理 2.7 激光振荡阈值条件 2.8 连续运转激光器的输出功率 2.9 脉冲运转激光器的输出功率 2.10 自由振荡激光器的模式 2.11 激光器的频率牵引 2.12激光器的线宽极限 受激辐射 一、爱因斯坦关系 说明： 分配在一个模式上的受激辐射的几率等于在此模式中的一个光子引起的受激跃迁几率。 g1=g2 例：在热平衡条件下（如黑体），试比较自发辐射和受激辐射？ T=1500K,l=500nm 空腔 例：在热平衡条件下，试比较受激吸收和受激辐射？ 受激辐射使光子数增加，相反的，受激吸收吸收光子， 降低光子数密度 STE: STA: ( 热平衡条件下) 结果说明：光通过介质时，光强将被吸收和消弱。 思考题：对于激光的产生，受激辐射场的源头是哪里？ 二、受激辐射的相干性 三、激光产生的必要条件 a、光放大概念的产生(激光器基本思想) 封闭腔中光子简并度极低： 开腔能够突出受激跃迁系数W21，抑制自发跃迁系数A21，从而提高光子简并度 。 开腔中的激活介质能对光进行受激辐射放大 图 光在介质中传播的物理图像 *光束在介质中的传播规律 图 光穿过厚度为dz介质的情况 如图， 频率为 的准单色光射向介质，在介质中z处取厚度为dz、截面为单位截面的一薄层，在 dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为： dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度为： 为介质中z处传播着的光能密度， 它与光强的关系为： *光束在介质中的传播规律 图 光穿过厚度为dz介质的情况 dt为光经过dz所需要的时间，存在如下关系： ，并且有： 则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为： 则光穿过dz介质后光能密度的增加值为： *光束在介质中的传播规律 图 光穿过厚度为dz介质的情况 解此微分方程得： 上式即为光波穿过介质时光强随路程z的变化规律。 b、实现光放大的必要条件－集居数反转n2n1 在热平衡条件下，各能级上粒子数（集居数）服从玻尔兹曼统计分布： g1=g2 介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为： G的含义：光通过单位长度激活介质后，光强增长的百分率。 hv hv hv hv hv hv hv 输入 输出 光放大示意图 E1 E2 hv E1 E2 hv hv 受激辐射示意图 如何用器件实现光放大？ 本