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激光原理与技术·原理部分第二讲激光产生机理与特性

2.0理体系?典理（ClassicalLaserTheory）–磁－麦克斯方程；原子－偶极振子?半典理（SemiclassicalLaserTheory）–磁－麦克斯方程；原子－量子力学描述?量子理（QuantumLaserTheory）–磁和原子——二者作一个一的物理体系作量子化理?速率方程理（RateEquationTheory）–量子理的化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性

2.0理体系?激光器的格理是建立在量子力学基上的量子理，在原上可以描述激光器的全部特性；?不同近似程度的理用来描述激光器的不同次的特性，每种近似理都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体用合适的近似理；?本程主要用到的理是典理和速率方程。

2.1激光生的机理?黑体射与普朗克公式–黑体：一个物体能完全吸收任何波的磁射，称此物体黑体或黑体。自然界中不存在黑体，而如所示的空腔射体是黑体的理想近似。–黑体射：当黑体于某一恒定温度的平衡状，它吸收的磁射和射的磁射完全相等，即于能量平衡状，将致空腔内存在完全确定的射。射称黑体射或平衡射。

2.1激光生的机理–普朗克公式：?黑体射是黑体温度T和射的函数，并可以用色能量密度描述，表示位体内，于附近的位率隔中的磁射能量，其量。?了解得的分布律，普朗克提出了量子化假，并得到了普朗克公式：在温度T的平衡状下，黑体射平均地分配到腔内于率附近的所有模式上的平均能量：

2.1激光生的机理?而腔内位体中，率于附近位率隔内的磁模式数：?所以可以得到黑体射的普朗克公式：?其中K波数：

2.1激光生的机理?受激射与自–自射（Spontaneousemission）?于高能E的原子自的向2低能E迁，并射一个能1量的光子，种程称自射。?自射特点：各个原子所的光向空各个方向播，是非相干光。?假系中高能原子数n，低能原子数n，21内从高能向低能迁的原子数dn：21?其中A自因斯坦系数，定位n个高212能原子中生自迁的原子数与n的比，其物理意是每一个于高能的原子生自迁的几率。2

2.1激光生的机理?按照定：?从上式可以解出：?自射的平均寿命定原子数密度由起始降至它的1/e的高能原子数随化可表示：?通比可以得到：，即自射系数高能原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性决定的，不受外部射的影。

2.1激光生的机理–如何确定自射系数？–生活中的自射？红宝石晶体自发辐射平均寿命测量装置测量得到的原子自发辐射能量衰减曲线

2.1激光生的机理–受激吸收（StimulatedAbsorption）?如果黑体原子和外加磁之的相互作用只有自一种，是无法持腔内的定的，因此因斯坦言，黑体原子必然存在着一种受外加磁激而从低能向高能迁的程。?于低能E的一个原子，在率的射作用（激励）下，1受激地向E能迁并吸收一个能量的光子，一程称受描述：2激吸收，用受激吸收迁几率?受激迁与自迁不同，其迁几率不与原子性有关，而且与外加磁成正比，因此唯象的将其表示：?其中B称受激吸收迁因斯坦系数，它只与原子性相关。12

2.1激光生的机理–受激射（StimulatedEmission）?与受激吸收迁似，黑体原子同外加磁之存在另一种受激相互作用，一个于高能E的原子在率2的磁作用下，受激地迁到E1能，并放出一个能量的光子，程被称受激射迁。?可以用受激射迁几率W来描述受激射程中高能原21子数化的律：?受激射迁机率同与外加磁和原子特性相关：

2.1激光生的机理?迁几率之的相互关系–当黑体于确定的温度T的平衡状，具有以下三个特点：?腔内存在着由普朗克公式描述的平衡黑体射；?腔内物原子数按照能的分布服从平衡状下的波曼分布：g、g能E、E的重；1212?腔内于E（或E）能的原子数保持不：21

2.1激光生的机理–由特点3得到：–将普朗克公式和波曼分布入上式有：–令，可以求出因斯坦系数之的相互关系：–特的，当g=g，B=B121221

2.1激光生的机理?受激射的相干性–自射和受激射的区是么？–自出的光子在相位、方向、偏振方向等特性上是无的，即平均分配在腔内可能定存在的所有的磁模式上；–受激射是受到外加磁激而生的程，由量子力学可以明受激射光子与入射光子属于同一光子，即具有相同的率、相位、波矢和偏振等特性。–按照典原子模型，将原子看作的偶极子，自迁是原子中子的自阻尼振，因此每个原子的自迁互相之没有关；而受激射可以看作子在外加光作用下做受迫振，其振率、相位、方向等与外加光一致。–大量原子在同一射激下生的受激射光子于同