大学物理课件第二十章 激光.pptVIP

* 主要内容： 激光 20.1 光与物质作用的基本过程 物质—— 原子体系 基态 激发态 光—— 光子体系 （能量: h?; 动量: h?/c; 质量: h?/c2) 基本模型 考虑与产生激光有关的两个原子能级E1和E2(E2E1)，以使问题大为简化。 一、自发辐射 （spontaneous radiation） 高能级E2上的原子自发地跃迁到低能级E1发出 光子过程，称为自发辐射。 E2 E1 N2 N1 h? 设单位体积中处于E1 、E2能级的粒子数为N1 、N2 E2 ? E1自发辐射的原子数为 则单位体积中，dt 时间从 它是单个原子单位时间内发生自发辐射概率。 指数衰减律 Ａ21 ?自发辐射系数， 注意到：dN21= –dN2 于是有 E2 E1 N2 N1 h? 10 自发辐射的各原子发的光是独立的、无关的非相干光 。 20 考虑原子在E2能级的平均停留时间 称为原子在E2能级的平均寿命。 ▲例:原子在一秒钟内发生自发辐射概率为1/10， 则该原子在激发态E2平均停留时间为 10秒。 一般激发态寿命： 一般亚稳态寿命： 二、吸收（absorption） 外来光频率满足h? = E2 – E1时，E1能级粒子吸收一个光子，跃迁到E2能级，称为受激吸收 E1 ? E2受激吸收的原子数为 则单位体积中，dt 时间从 它是单个原子单位时间内发生受激吸收概率。 B12 ? 受激吸收系数， w? ? 光谱辐射能量密度 受激吸收概率 E2 E1 N2 N1 h? h? h? 三、受激辐射 (stimulated radiation) 外来光频率满足h? = E2 – E1时，E2能级粒子受其刺激，跃迁到E1能级，同时辐射一个与外来辐射完全相同的光子，称为受激辐射。 E2 E1 N2 N1 h? E2 ? E1受激辐射的原子数为 则单位体积中，dt 时间从 它是单个原子单位时间内发生受激辐射概率。 B21 ? 受激发射系数， 受激发射概率 定义 10 受激辐射光与入射光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同——有光的放大作用。 2o 实际系统中，三种过程同时存在，只是各种过程所占比重不同。三种过程强弱由三个系数，即A2l、B2l和B 12表征，它们之间关系是 3o 比较受激辐射与吸收的强度，有 在室温下： 20.2 激光形成原理 问题提出: 我们希望产生光放大——受激辐射。 在什么条件下，受激发射可以大于吸收。 一、粒子数反转 (population inversion) 单位时间、单位体积内： 吸收的光能量是： 受激辐射的光能量是： 净增加的光能量是： 光强与光能量关系是 利用三个系数关系 ——增益系数 显然： 光强减少 光吸收 光强增加 光放大 （称为粒子数反转） 二、激光工作物质 问题提出: N2 N1 N1 N2 En Nn 在平衡态下，原子数目按能级分布服从玻耳兹曼统计分布： 在什么条件下，可以实现粒子数反转： 寻求具有特殊能级结构的物质； ——称为激光工作物质 具有激励能源，使尽可能多的粒子由低能级激发到高能级。 ——称为泵浦源 1.二能级系统 E1 E2 B12 B21 A21 二能级物质是不能实现粒子数反转。 2.三能级系统 E1——基态能级 E2——亚稳态能级 E3——泵浦的高能级 在E1与E2之间实现粒子数反转，泵浦能量高 3.四能级系统 E1 E2 B13 W21 A31 W12 A21 S32 A32 E1 E2 W14 W32 A41 S21 A32 S43 A23 E1——基态能级 E2——激光下能级 E3——激光上高能级 E4——泵浦的高能级 在E2与E3之间实现粒子数反转 三、光学谐振腔(optical harmonic oscillator) 若光能多次重复进出工作物质，可以提高光与物质相互作用的等效长度。能够稳定实现光反馈的装置称为光学谐振腔。 （上图是平行平面光学谐振腔的结构示意图） 激励能源 全反射镜 部分反射镜 激光 沿轴向光子，在两反射镜之间往返。引起工作物质的受激发射，产生出频率、位相、偏振方向和传播方向都相同的光子，输出激光。 四、阈值条件 工作物质的吸收、散射和反射镜的吸收、 透射等因素而出现损耗。要产生激光振荡，必须满足一定条件，称之为阈值条件。 光在谐振腔中往返一次，须满足 全反射镜 部分反射镜 激光 L是谐振腔腔长；r1、r2是两反射镜光强反射率。 阈值条件 20.3 激光的模式与性质 一、激光的纵模和单色性 由于相干性要求，满足相干极