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电子科学与技术实验室
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受激吸收
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受激辐射
通常在一个光学系统中 ,这三个 过程都是 同时存在的。当系统达到一个局部平衡状态时,这三个过程也达到平衡,即从低能级跃迁到高能级的粒子数量与从高能级跃
迁到低能级的粒子数盎相等.
通常,平衡条件下的粒子在各能级t的分4p遵从玻尔兹曼分布规律:
Nz/N1=exp[-(如-E1)/KT]
其中k为玻尔兹曼常数,T为平衡温度,心和阳分别代表处于Ez和El能级的粒子数o
从上式我们可以看到,当T为有限正值时,通常池N1。当一个光子进入这样一
个系统中,并同粒子相互作用时,诱发受激吸收的概率远大于诱发受激辐射的概率。入射的光子大多被物质吸收了,不可能被放大。
如果我们能够实现N2N1,就有可能实现受激辐射大于受激吸收和自发发射,从
而实现光的放大.某一高能级上的粒子数盎应多于某一低能级上的粒子数鱼N1,我们称其为粒子数反转分布,这种分布在某些系统的特定能级间是确实存在的。一般认为这是产生激光的必要条件之--.
以本装置中的氮氖激光器为例,我们来分析一下它的几个特定能级系统。
氮氖激光器因激光管中充有按一定比例混合的氮气和氖气而得名。输出633nm的红色激光是由氖原子的两个激发态之间的受激辐射产生的。氖原子作为一种辅助气体,在将氖原子激发到高能级并实现两个能级间的粒子数反转起着重要作用。
氝原子核外有两个电子,当受到电子碰撞激励时,使一个电子激发,原子被激发
到2S能级,由千这个能级与基态之间的跃迁是禁戒的,所以这是个亚稳能级,寿命比较长。这些处千亚稳态的氮原子又与氖原子相互碰撞,使能量转移,将氖原子激发到3S能级上(这是一种共振能县转移过程。)氖原子的3S能级也是一个寿命较长的
亚稳态,而氖原子的2P能级的寿命很短,在此能级上的氖原子会通过自发辐射迅速地跃迁至1S能级,再通过与毛细管壁的碰撞回到基态。从3S至2P能级间的跃迁,将发出波长为633nm的光波。系统中的原子通过这样一系列的相互作用.实现了氖原子3S能级与2P能级之间的粒子数反转。这就为光的放大创造了条件。
氮氖
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、又受做辐针
三:电子碰h \
三:
氧氖激光优级Ill ,
但是仅仅使系统达到粒子数反转分布还不能产生激光,系统中大量的自发辐射光子所引起的光放大依然是杂乱无亲的,井目向各个方向发射。为了在某一个方向上取的优势,使系统在这个方向上有最佳的放大,我们可以在这个方向上引入正反馈,使受激辐射在这个方向上有更有效的放大。为此我们在工作物质的两端引入两个反射镜,使光在这两个反射镜之间来回反射传播,不断被放大,由此产生的受激辐射光将是同向、同频、同相位、同偏振态的相干光,这就是激光。为了有效地利用这种光,我们有意将其中的一个反射镜的反射率做的不太高,如97%。这样从这个发射镜淌出
一部分激光便千我们利用。
在激光工作物质的两端放臂反射镜,形成了一个光在其中来回震荡的腔,我们称之为激光谐振腔。
激光在谐振腔中传播,除了会被放大外,还会有损耗,如反射镜的不完美造成的
反射、透射损耗、毛细管造成的衍射损耗等等,只有当激光的放大率-增益大于损耗时激光才会起振。激光起振的最小增益称为激光起振的阅值条件。
工作物质两端的两个反射镜除了提供芷反馈条件外,还有一个重要的目的,就是
可通过对腔型的设计,有效地控制激光束的光学参数,如模式、功率、光束发散角、束腰半径等。
受激辐射光在腔中被不断反射,往返传播,不断地被放大,最后腔内激光达到一
个稳定状态,我们把这种稳定状态下的光场分布形式称为模式.不同的模式之间可能
会有不同的频率、强度、强度分布、相位、偏振态等参数。习惯上,我们把激光模式又分为纵模和横模。
所谓纵模,是指光在传播方向上的分布,主要是频率特性(实际上,不同的纵模
除了有不同的频率外,也可能会有不同的强度、相位和偏振态)。我们从光的多光束干涉理论(F-P干涉仪)知道,在激光谐振腔这样一种光学结构中,光的谐振频率是不能连续存在的,它只能是连中分订的频率。在腔中振荡的光波是驻波,对应的波长应满足腔长等千半波长的整数倍这"条件。即
L=n入/2
其中 L代表腔长,入代表波长,n为一整数。
设某一纵模波长为从,相邻另一纵模的波长为辽,则有:
L=n入1/2
L=(n+l) 入2/2
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