第1讲激光器基本特性精选文档.ppt

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1、第1讲激光器基本特性本讲稿第一页，共十五页前言1.光是什么？2.辐射概念：4.自发辐射与受激辐射3.激光的特点：方向性好、相干性好、高亮度；5.激光原理课程的目的：激光产生的物理基础和原理。激光与物质的相互作用原理。6.激光技术课程的目的：提高和改进激光的质量以便满足一些特殊应用的需要求。本讲稿第二页，共十五页一、波尔兹曼分布：热平衡条件下粒子在不同能级的分布规律一、波尔兹曼分布：热平衡条件下粒子在不同能级的分布规律2.分别处于分别处于Em和和En能级上的原子数能级上的原子数nm和和nn必然满足下一关系必然满足下一关系3.为简单起见，假定为简单起见，假定讨论：1），2），3）T0且EmEn，n

2、mnn1.现考虑由现考虑由n0个相同原子个相同原子(分子或离子分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：式中 Ei的简并度；k波尔兹曼常数；T热平衡时的绝对温度；ni处在Ei能级的原子数EnEm本讲稿第三页，共十五页二、辐射跃迁和非辐射跃迁二、辐射跃迁和非辐射跃迁1.辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象2.非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和

3、吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量=E2-E1E1E2本讲稿第四页，共十五页黑体热辐射与热辐射黑体热辐射与热辐射1.绝对黑体又称黑体：绝对黑体又称黑体：某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射。自然界中自然界中绝对黑体是不存在的绝对黑体是不存在的 3.平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变不变2.空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体 三、光的受激辐射1896维恩公式（短波适合）：1905瑞利-金斯公式（长波适合）

4、：本讲稿第五页，共十五页在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中 与温度T及频率 的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式式中k为波尔兹曼常数。4.辐射能量密度公式辐射能量密度公式单色辐射能量密度 ：辐射场中单位体积内，频率在 附近的单位频率间隔中的辐射能量总辐射能量密度:本讲稿第六页，共十五页光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激跃迁1.自发辐射自发辐射自发辐射:高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子。对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率。式中“”表示E2能级的粒子数密度减少；n

5、2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数）；dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数。四、光和物质的作用四、光和物质的作用自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。图（1-6）表示自发辐射的过程。图（1-6）自发辐射本讲稿第七页，共十五页上式可改写为：A21的物理意义为：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。上方程的解为：,式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。自发辐射的平均寿命 ：原子数密度由

6、起始值降至它的1/e的时间已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为 ，某时刻激发态的原子数密度为n2(t)，则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为：设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为：四、光和物质的作用四、光和物质的作用本讲稿第八页，共十五页2.受激辐射受激辐射(2)受激辐射的特点：只有 当时，才能发生受激辐射 受激辐射的光子与外来光子的特性一样，如频率、位相、偏振和传播方向式中的参数意义同自发辐射。B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。(3)同理从E2经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能

7、量密度为 ，则有：(1)受激辐射：高能级E2上的原子当受到外来能量 的光照射时向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，如图（1-8）所示。跃迁选择定则！图（1-8）光的受激辐射过程四、光和物质的作用四、光和物质的作用本讲稿第九页，共十五页(5)注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。(4)令 ，则有：则W21(即受激辐射的跃迁几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度为 的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。受激辐射跃迁几率！四、四、光和物质的作用光和物质的作

8、用本讲稿第十页，共十五页式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数(2)同理从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，且低能级E1的粒子数密度为n1，则有：3.受激吸收受激吸收(3)同理令 ，则有：则W12(即受激吸收几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度 的光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。(1)处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。如图（1-9）所示。图（1-9）光的受激吸收过程四、光和物质的作用四、光和物质的作用本讲稿第十一页，共十五页自发

9、辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系1.在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，有如下关系：自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数由波尔兹曼分布定律可知：将代入得：由此可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度 为：本讲稿第十二页，共十五页将上式与第三节中由普朗克理论所得的黑体单色辐射能量密度公式比较可得：式和式就是爱因斯坦系数间的基本关系，虽然是借助空腔热平衡这一过程得出的，但它们普遍适用。2.如果 ，则有在折射率为 的介质中，式应改写为：本讲稿第十三页，共十五页介质中光的受激辐射放大介质中光的受激辐射放大1.要能形成激光，首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收。光在介质中传播的物理图像五、激光形成的条件2.产生激光必须具备的三个条件：（1）有提供放大作用的增益介质作为工作物质（2）外界激励，将低能级的粒子抽运到高能级，形成粒子数反转（3）光学谐振腔，增长激活介质的长度并控制光束的方向。本讲稿第十四页，共十五页本讲稿第十五页，共十五页