《激光基本原理》PPT课件.ppt
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1、光电子技术PhotoelectronicTechniquePhotoelectronicTechnique 1.3 1.3 1.3 1.3 激光基本原理激光基本原理激光基本原理激光基本原理主讲:主讲:主讲:主讲:周自刚周自刚周自刚周自刚 助教:助教:助教:助教:范宗学范宗学范宗学范宗学1 1、光子的基本性质、光子的基本性质一、光既是粒子又是波,具有波粒二象性!一、光既是粒子又是波,具有波粒二象性!1 1、能量:、能量:2 2、质量:、质量:3 3、动量:、动量:光子光子,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子(,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子(传递基本相互作用的媒介粒子
2、,自旋都为整数)。原。原始称呼是光量子(始称呼是光量子(lightquantum),电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为,电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为。4 4、两个独立的、两个独立的偏振态偏振态1 1、光子的基本性质、光子的基本性质一、光既是粒子又是波,具有波粒二象性!一、光既是粒子又是波,具有波粒二象性!5 5、有自旋,量子数为整数,大量光子的集合服从、有自旋,量子数为整数,大量光子的集合服从玻色玻色爱因斯坦爱因斯坦分布分布对单光子自旋和轨道角动量的量对单光子自旋和轨道角动量的量子隐形传态过程的图片展示子隐形传态过程的图片展示 中国科学技术大学潘建伟研究小组在
3、国际上首次成中国科学技术大学潘建伟研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。功实现多自由度量子体系的隐形传态。2 2月月2626日,国际权日,国际权威学术期刊威学术期刊自然自然杂志以封面标题的形式发表了这一杂志以封面标题的形式发表了这一最新研究成果。最新研究成果。二、光的粒子性和波动性的统一:量子电动力学的理论,将电磁场量子化二、光的粒子性和波动性的统一:量子电动力学的理论,将电磁场量子化1、电磁场的本征模式:具有基元能量、电磁场的本征模式:具有基元能量和基元动量和基元动量的物质单元即的物质单元即属同一本征模式的光子属同一本征模式的光子2、具有相同、具有相同动量动量和相同和相同能
4、量能量的光子彼此不可区分,属同一模式(状态)的光子彼此不可区分,属同一模式(状态)3、处于同一、处于同一模式模式或或状态状态的腔内光子数目是没有限制的的腔内光子数目是没有限制的4、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的线性叠加线性叠加三、光波模式三、光波模式波动性波动性1、麦氏方程的解、麦氏方程的解特解特解:单色平面波:单色平面波通解通解:一系列单色平面波的叠加:一系列单色平面波的叠加2、自由空间中的电磁波、自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在任意波矢的平面波均可以存在!3、受边界条件限制空间的电磁波:一系列独立的具有特定波矢、
5、受边界条件限制空间的电磁波:一系列独立的具有特定波矢的平的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在!面单色驻波。即只允许驻波光模式存在!4、光波模式:能存在于腔内的以波矢、光波模式:能存在于腔内的以波矢为标志的电磁波模式。同一为标志的电磁波模式。同一又由又由于对应两个独立的偏振态,则同一波矢于对应两个独立的偏振态,则同一波矢对应两个不同偏振方向的光波模对应两个不同偏振方向的光波模式。式。5、体积为、体积为V 的空腔中的光波模式数的空腔中的光波模式数(1)设:)设:在在x、y、z三方向应用驻波条件得:三方向应用驻波条件得:又因为:又因为:则则的三个分量满足:的三个分量满足:(2)光波模式的波矢空间表
6、示)光波模式的波矢空间表示波矢空间:以波矢空间:以kx、ky、kz为直角坐标系构成的空间为直角坐标系构成的空间每一个光波模式对应该空间的一个点每一个光波模式对应该空间的一个点每个光模在波矢空间所占体积为每个光模在波矢空间所占体积为处于空腔单位体积内,频率位于处于空腔单位体积内,频率位于附近单位频率间隔的光波模式数(光附近单位频率间隔的光波模式数(光波模密度)为波模密度)为在频率很高的光频波段,由于在频率很高的光频波段,由于E1时时,N2N1。表表明明在在热热平平衡衡状状态态下下高高能能级级上上的的粒粒子子数数布布居居总总是是小于低能级,且两者的比例取决于体系的温度。小于低能级,且两者的比例取决
7、于体系的温度。一般地,在热平衡状态下,几乎所有的原子都处于最低能态一般地,在热平衡状态下,几乎所有的原子都处于最低能态基态。基态。两个能级两个能级E1与与E2上的粒子数布居之比:上的粒子数布居之比:在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布律:在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布律:T:热平衡温度;:热平衡温度;Nn:能级:能级En上的粒子数布居;上的粒子数布居;k:玻耳兹曼常数。:玻耳兹曼常数。(1)自发辐射自发辐射处处于于高高能能级级上上的的原原子子,总总是是会会自自发发地地跃跃迁迁到到低低能能级级上上,伴伴随随辐辐射射出出一一个频率为个频率为n 的光子,称为
8、光的自发辐射。的光子,称为光的自发辐射。3.2自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收说说明明:自自发发辐辐射射是是个个随随机机过过程程,处处于于高高能能级级的的各各个个原原子子随随时时地地、独独立立地地向向低低能能级级自自发发跃跃迁迁,所所发发射射的的光光子子形形成成一一个个个个相相位位、偏偏振振态态和和传传播播方方向均彼此无关的波列,因而是非相干的。向均彼此无关的波列,因而是非相干的。自发辐射光子的能量和频率分别满足:自发辐射光子的能量和频率分别满足:处处于于低低能能级级上上的的原原子子,受受到到频频率率为为n的的入入射射光光照照射射时时,有有可可能能吸吸收收一一个个光子的
9、能量而跃迁到相应的高能级上,称为光的受激吸收,且有光子的能量而跃迁到相应的高能级上,称为光的受激吸收,且有 (2)(2)受激吸收受激吸收3.2自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收处处于于E2能能级级上上的的原原子子,在在受受到到频频率率n 正正好好满满足足hn=E2-E1的的入入射射光光子子的的作作用用时时,有有可可能能自自所所处处E2能能级级跃跃迁迁到到E1能能级级,并并辐辐射一个同频率的光子。射一个同频率的光子。说说明明:与与自自发发辐辐射射不不同同,受受激激辐辐射射光光子子与与入入射射光光子子具具有有相相同同的的模模式式,即即 同频率、同相位、同偏振态同频率、同相位、
10、同偏振态,因而是相干的。,因而是相干的。受激辐射与受激吸收受激辐射与受激吸收互为逆过程互为逆过程,两者同时发生,同时存在。,两者同时发生,同时存在。(3)(3)受激辐射受激辐射3.2自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收自自发发辐辐射射过过程程:原原子子体体系系单单位位时时间间内内从从能能级级E2跃跃迁迁到到能能级级E1的的粒粒子子总总数数只只与与E2上的粒子数布居上的粒子数布居N2成正比,与辐射场无关,即成正比,与辐射场无关,即受受激激辐辐射射过过程程:原原子子体体系系单单位位时时间间内内从从始始态态到到终终态态跃跃迁迁的的粒粒子子数数,除除了了与与始始态态上上的的粒粒子子
11、数数布布居居有有关关外外,还还与与能能量量等等于于两两能能级级差差的的入入射射光光子数密度子数密度u(n)(辐射能谱密度)成正比,即(辐射能谱密度)成正比,即A21、B12、B21:爱因斯坦系数:爱因斯坦系数3.3爱因斯坦公式爱因斯坦公式按按照照爱爱因因斯斯坦坦的的观观点点,在在热热平平衡衡状状态态下下,原原子子体体系系在在单单位位时时间间内内受受激激吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即由玻耳兹曼分布律得:由玻耳兹曼分布律得:3.3爱因斯坦公式爱因斯坦公式比较两式可得爱因斯坦公式:比较两式可得爱因斯坦公式:说明:爱因斯坦公式为
12、激光的发明奠定了理论基础说明:爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理论基础由普朗克量子辐射公式可以证明:由普朗克量子辐射公式可以证明:3.3爱因斯坦公式爱因斯坦公式当当频频率率为为n 的的光光波波通通过过具具有有能能级级差差E2-E1=hn 的的介介质质时时,将将同同时时发发生生受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射。按按爱爱因因斯斯坦坦公公式式,dt时时间间内内,介介质质单单位位体体积积受受激激吸吸收收的的光光子数子数dN12与受激辐射的光子数与受激辐射的光子数dN21之比为之比为热平衡状态下:热平衡状态下:N2N1,dN21N1,dN21dN12。即高能态的粒子数布居大于低能态。即高能态的粒子数布
13、居大于低能态。意意义义:光光波波在在处处于于粒粒子子数数布布居居反反转转分分布布的的介介质质中中传传播播时时,介介质质受受激激辐辐射射的的光光子数大于受激吸收的光子数,宏观效果表现为光放大或光增益。子数大于受激吸收的光子数,宏观效果表现为光放大或光增益。实现粒子数布居反转分布是产生激光的必要条件实现粒子数布居反转分布是产生激光的必要条件能够造成粒子数布居反转分布的介质称为激光介质或增益介质能够造成粒子数布居反转分布的介质称为激光介质或增益介质3.4粒子数布居反转与光放大粒子数布居反转与光放大能级寿命能级寿命t:粒子能够在某个能级上停留的平均时间。:粒子能够在某个能级上停留的平均时间。由于自发辐
14、射,能级由于自发辐射,能级E2上的粒子数上的粒子数N2将随时间减少,在将随时间减少,在dt内的改变量:内的改变量:意意义义:E2上上粒粒子子数数N2的的减减少少量量与与自自发发辐辐射射几几率率系系数数A21的的大大小小有有关关,经经过过t=1/A21时时间间后后,将将减减少少到到初初始始值值的的1/e。所所谓谓能能级级寿寿命命实实际际上上就就是是指指在在该能级上的粒子数减少到初始值的该能级上的粒子数减少到初始值的1/e所经历的时间。所经历的时间。3.5能级寿命能级寿命说说明明:若若在在能能级级E2以以下下有有若若干干个个低低能能级级,则则能能级级E2的的寿寿命命应应等等于于该该能能级级到到各各
15、个低能级自发辐射几率系数之和的倒数,即个低能级自发辐射几率系数之和的倒数,即结论:自发辐射系数越小,自发辐射的过程就越慢,粒子数在该能级的寿命结论:自发辐射系数越小,自发辐射的过程就越慢,粒子数在该能级的寿命就越长,原子处在该状态就越稳定。就越长,原子处在该状态就越稳定。亚稳态:寿命特别长的激发态,可达亚稳态:寿命特别长的激发态,可达10-31s。因原子的碰撞和外界干扰,能。因原子的碰撞和外界干扰,能级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。3.5能级寿命能级寿命3.6激光器的基本结构激光器的基本结构实现激光发射的两个必备条件:受激辐射的产生和放大。实现激
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