《大学物理》课件-第18章 激光.ppt

只有沿轴向自发辐射的光子，才能在光学谐振腔中来回反射， 并多次通过工作物质而不断地产生受激辐射， 这一过程不断地继续进行，使沿轴向的光强不断得到放大。 当光遇到部分反射镜时，除小部分输出外，大部分仍将反射回去，并继续参与光放大，如图所示。 激光束 第十八章 激 光 贵阳人文科技学院《大学物理》 激光（Light amplification by stimulated emission of radiation——laser） 1、基本概念 （1）三种跃迁形式： ①自发辐射：—— 处于激发态上的粒子（原子、分子或离子），自发地跃迁到低能级上，并发射一个频率为、能量为的光子。 跃迁定则 E2 - E1 = hv ， 普通光源的发光机制属于自发辐射。光源上各个粒子之间是彼此都是互不相关的独立发光体。 E2 E1 前 E1 E2 后 白炽灯、日光灯等就属于这种光源。 ②受激辐射 —— 处于高能级上的粒子，受能量 hv 的入射光子的刺激，而跃迁到低能级，同时发射一个与入射光子完全相同的光子的过程。 跃迁定则 E2 - E1 = hv ， E2 E1 前 E1 E2 后 即：两光子具有相同的频率、偏振状态、传播方向以及相同的位相等特征。 光子由原来的一个变为两个光子，故光被放大了。 同时这两个光子又可继续充当“刺激光子”，进而继续引发受激辐射。 受激辐射的特点是：出射光成倍加强（具有光放大作用），且光子群为全同光子（即相干光子）。 ③受激吸收 —— 处于低能级上的粒子，当它吸收了一个能量为 hv 的光子时，而跃迁到高能级上的过程。 跃迁定则 E2 - E1 = hv ， E2 E1 前 E1 E2 后 受激吸收的特点：吸收过程是光子被吸收，使入射光减弱（吸能损耗作用）。 （2）三种跃迁均衡与失衡 在实际辐射跃迁中，上述三种过程总是同时存在着。 不同条件下，三者发生的几率是不同的，总效果也不相同。 究竟哪一种跃迁占优势，这将取决于各个能级粒子数的分布情况。 2、粒子数反转： 1）常态分布 —— 当粒子系统处在热平衡状态下，各个能级上的粒子数将按玻尔兹曼统计分布律来分布。 2）反常分布 —— 处于高能级上的粒子数目远远多于某些低能级上的粒子数目, 这种粒子数的分布称为粒子数反转。 如：炸山时的土蹦。 如：炸山时的土蹦。 海洋、湖泊 暴雨前的云团等。 3、工作物质 —— 能实现粒子数反转分布的物质。 如：固、液、气、半导体等物质。 4、亚稳态——某物质原子能级中存在一种平均寿命较长的高能级态，称为亚稳态。 5、泵浦源（外源供能） —— 能使低能级上的粒子在吸收能量后，而被激发到高能级上去的装置，即外激励装置，也称“泵浦源”。 通常泵浦源的形式有： 光能 —— 光照 电能 —— 放电 化学能 —— 化学反应 热能 —— 加热 核能 —— 核反应。 6、三能级系统 基态 E1 上的粒子被外激励源抽运到激发态 E3 上，而使能级 E1 上的粒子数 N1 减少。 因能态 E3 的平均寿命短： （τ≈ 10-8 s）， 故能态 E3 上的粒子很快通过无辐射跃迁到达亚稳态能级 E2 上， 又因亚稳态 E2 的平均寿命相对较长（τ＞10-3 s）， 故大量粒子可在 E2 能态上累积，使 N2 激增，在 E2 与 E1 之间形成粒子数反转分布，出现受激辐射光放大。 譬如：红宝石激光器（ ，浅红色）中的激活粒子就属于三能级系统。 在三能级系统中，基态能级上总是聚集着大量的粒子，而粒子数反转又是在亚稳态能级 E2 和基态能级 E1 之间进行， 要实现 N2＞N1 ，外界抽运泵浦源必须足够强， 三能级系统的一个显著缺点是：转换效率降低，且能耗增大。 7、四能级系统 —— 为克服三能级系统的缺点，人们找到了四能级系统的激光工作物质， 如含钕的钇铝石榴石（用符号Nd：YAG 来表示，浅紫色、硬度高、导热性能好和化学性稳定）。 He-Ne 和 CO2等物质，它们都属于四能级系统的激光工作物质。 在四能级系统中，基态 E1 上的大量粒子被外激励源抽运到激发态 E4 能级上， 因 E4和 E2 能级的平均寿命都很短，而 E3 却为亚稳态，所以 E4 能级上的粒子迅速以无辐射跃迁形式到达亚稳态 E3 能级上。 因常温下，E2 是空能级，故E3 和 E2之间就形成粒子数反转。 需要指出的是：上述的三能级系统和四能级系统，均指对激光器运转过程中，与粒子数反转直接有关的能级而言， 并不是说某物质只有三个能级或四个能级。 8、光学谐振腔 仅仅靠光的一次性通过工作物质来使光放大，其光光放大