激光原理新课件(第一章).ppt

1.光放大概念的产生 1.3光的受激辐射放大---激光产生的必要条件 当黑体达到热平衡时 光的受激辐射放大 谐振腔选模 激光器 2.实现光放大的条件 在热平衡状态下，物质以吸收光子为主，光通过物质被衰减 ——粒子数反转 泵浦：把原子从低能级激励到高能级以使在某两个能级之间实现粒子数反转分布的过程。 产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态 激活物质（增益介质）：处于粒子数反转状态的物质。 为反转粒子数密度 3.激光产生的充分条件 一、光放大物质的增益系数 定义：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数 增益系数 g 其中： 为小信号增益系数 ——饱和光强 讨论 定义：使增益系数下降到小信号值的1/2时的光强。 饱和增益系数g(I) 1.4 光的自激振荡 损耗系数 ? 定义：光通过单位距离后光强衰减的百分数 ——自激振荡 光强为 的微弱光被放大 随 的增加减小 当 * 在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强。 自激振荡的条件 即： 阈值振荡条件 腔内光强增大 激光器振荡条件 激光器振荡的条件可写为： 为光腔的单程损耗因子 一、单色性与时间相干性 1.光源单色性的度量 或 ——频带宽度 ——谱线宽度 或 2.光源的时间相干性 描述光源上同一个发光中心在两个不同时刻发出的光之间的相关程度 1.5 激光的特性 * 相干长度： 相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间 太阳光的相干长度：0.6?m Kr86灯的相干长度：75cm He-Ne激光器的相干长度：30km * 通常激光器工作在多纵模状态 纵模选择和频率稳定后可达到高的单色性 气体激光器 单色性最高 He-Ne可达到2Hz 固体激光器 单色性次之 半导体激光器 单色性最差 1.光源方向性的度量 二、方向性与空间相干性 ——发散角 2.光源的空间相干性 描述某一时刻不同空间位置处的光波场之间的相关程度 ——能发生干涉的最大光源宽度 ——光源的相干面积 普通光源：向4?立体角发射 激光：发散角可达到10-3rad * 单横模(基模)激光器方向性最好 衍射极限 He-Ne激光器 方向性依次降低 气体激光器 固体激光器 半导体激光器 三、相干性 相干体积 定义：在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。 表达式： * 亮度：光源在传播方向上单位面积、单位立体角内发射的功率 太阳的亮度：2?103W/(cm2·sr) 气体激光器的亮度：104～108W/(cm2·sr) 固体激光器的亮度：107～1011W/(cm2·sr) 四、高亮度（强相干光） 截面为A的光源单色亮度可表示为 * 方向性和单色性都有利于提高光束的聚焦性能,从而达到高的相干亮度 * 证明光波模等效于光子态 * 单色平面波 (1) 平面波 波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面 平面波：波阵面是平面 实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透镜形成的光束可以看成平面波 (2) 单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如 称为准单色波。 * 单色平面波 理想的单色平面波 单色平面波的复数表示 复振幅 : 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布 光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即 单色平面波的表示---行波方程 单色平面波的表示---行波方程 * 光 子 光子的能量 光子的动量 式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J?s。 光子的具有运动质量 光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。 * * 相干体积 定义：在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。 表达式： 相干长度： 相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间 §2 光的受激辐射的基本概念 黑体辐射的普朗克公式 光与物质相互作用的三个过程 * 一、黑体辐射的普朗克公式 1.黑体 能够完全吸收入射到其表面的任何波长的电磁辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体 2.黑体辐射 当黑体处于某一温度的热平衡时，其吸收和发射的电磁辐射能量相等，此时黑体与辐射场之间处于能量平衡状态，空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射。 单色能量密度 定义：在单位体积内，频率处于?附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量 量纲：J?m-3?s 3.黑体辐射的普朗克公式 * 原子能级和辐射跃迁（补充） 为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复习原子能级的概念； 为了知道在不