《现代光学基础教学课件》激光原理课件.pptxVIP

第 2 章 激光产生的基本原理第1页，共32页。 光的受激辐射基本概念普朗克——1900年，辐射量子化假设；波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦——1917年，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。激光原理 . 第一章受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规律时首先提出。黑体辐射研究过程中：第2页，共32页。 任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。空腔辐射体受激辐射概念的提出 受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃迁。爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。第3页，共32页。 光和物质三种作用过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射原子的跃迁 跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。2.1 原子发光机理第4页，共32页。 发光前发光后1. 自发辐射 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2 自动跃迁至低能级E1，辐射光子, 称为自发辐射。随机过程，非相干光。自发辐射光子频率：白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定相同，不是相干光。2.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射第5页，共32页。 原子在能级 的平均寿命A21, 只与原子本身性质有关，与辐射场无关A21: 自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数）E2E1E2能级粒子数密度变化：第6页，共32页。 2. 受激吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级----光吸收。低能级E1高能级E2光子?第7页，共32页。 W12与原子本身性质和辐射场能量密度有关 受激吸收跃迁几率：E1E2 E1 能级粒子数密度变化：B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。第8页，共32页。 发光前发光后3. 受激辐射当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子会在外来光子的诱发下向低能级跃，并发出与外来光子一样特征的光子（全同光子）----受激辐射。全同光子：频率、相位、偏振方向和传播方向均相同的光子。——相干光子第9页，共32页。 B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。W21与原子本身性质和辐射场能量密度有关。当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程 受激辐射跃迁几率： E2能级粒子数密度变化：第10页，共32页。 三、爱因斯坦三系数 的相互关系激光原理 . 第一章热平衡状态：辐射率 吸收率（辐射场总光子数保持不变）E1、E2的统计权重/能级简并度第11页，共32页。 结论：1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。激光原理 . 第一章3. 自发辐射的出现随 而增大，故波长越短， 自发辐射几率越大。第12页，共32页。 §2.3 激光产生的条件 2.3.1 受激辐射光放大相干光（激光）光放大激光原理 . 第一章 在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子----光放大，激光。 第13页，共32页。 对受激辐射光放大的影响因素：自发辐射受激吸收第14页，共32页。 受激吸收对受激辐射光放大的影响 受激吸收占优势，不能产生光放大 受激辐射受激吸收 集居/粒子数正常分布:受激辐射光放大的必要条件：集居数/粒子数反转分布（n2n1）第15页，共32页。 自发辐射对受激辐射光放大的影响 例：T=300K时，λ=0.6μm,自发辐射光对激光: 噪声此时，光源是非相干光源。例2：λ=1μm时, 欲使R =1, 则： T=50 000K可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非相干光源。第16页，共32页。 激光原理 . 第一章2.3.2 集居数/粒子数反转——光放大必要条件受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。 粒子数反转分布（集居数反转） 光放大/激光产生的必要条件：粒子数反转分布 受激辐射受激吸收第17页，共32页。 2.3.3 激活粒子的能级系统一般采用三、四能级系统激活介质：实现粒子数反转分布的介质（分子、原子、离子）。第18页，共32页。 1、为什么不能用二能级系统二能级系统不能实现粒子数反转分布至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。第19页，共