第2章激光产生的基本原理幻灯片.ppt

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1、第第2章章 激光产生的基本原理激光产生的基本原理2.1 原子发光的原理原子发光的原理2.1.1 原子的结构原子的结构玻尔理论，玻尔理论，关于原子结构的一种理论。1913年由玻尔提出。是在卢瑟福原子模型基础上加上普朗克的量子概念后建立的。三条假设：三条假设：原子能量的量子化假设：原子能量的量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中的原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量。原子能级的跃迁假设：原子能级的跃迁假设：原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子辐射一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。原子中电子运动轨道量子化假设：原子中电子运动轨道量子化假设：

2、原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。由于原子的能量状态是不连续的，因此电子运动的轨道也可能是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运动。丹麦丹麦物理学家物理学家玻尔玻尔Bohr,Niels 1+Ze-efF2由玻尔假设：电子的角动量mVr只能等于h/2的整数倍，即表明：电子轨道半径是不连续的，与量子数n的平方成正比。32.1.2 原子的能级原子的能级势能势能:动能动能:总能量总能量:上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。42.1.3 原子发光的机理原子发光的机理基态基态(E0)激激发发态态(En)(E0)hv0hv吸

3、收跃迁：吸收跃迁：低低吸收能量吸收能量高高辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低（自发辐射）（自发辐射）52.2 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2.2.1 自发辐射自发辐射E1E2E1E2hv=E2-E1原子数密度由n20降到1/e所用的时间。A21为自发辐射跃迁爱因斯坦系数（自发辐射跃迁概率）爱因斯坦爱因斯坦发现，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。不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。spontaneous62.2.2 受激辐射受激辐射特点

4、：特点：B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数为受激辐射跃迁爱因斯坦系数外来光场的单色能量密度外来光场的单色能量密度1 1、当外来光子的频率满足、当外来光子的频率满足 时，使原子中处于时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。2 2、受激辐射光子与入射光子具有相同的频率、传播方向、相、受激辐射光子与入射光子具有相同的频率、传播方向、相位、偏振。位、偏振。W21为受激辐射跃迁概率为受激辐射跃迁概率与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关72.2.3 受激吸收受激

5、吸收B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数外来光场的单色能量密度W12受激吸收跃迁速率：受激吸收跃迁速率：stimulated与原子本身性质和辐射场能量密度有与原子本身性质和辐射场能量密度有82.2.4 三个爱因斯坦系数之间的关系三个爱因斯坦系数之间的关系A21B21B12能级Ei上的粒子数ni（集居数）服从玻耳兹曼（Boltzman）定律。请看书上的例题请看书上的例题各能级上的粒子数密度（集居数密度）各能级上的粒子数密度（集居数密度）玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：能级能级 和和 的简并的简并度，度，或称统计权重或称统计权重9在热平衡的条件下:或由黑体辐射的普朗克公式：102.3 激光产生的条

6、件激光产生的条件2.3.1 受激辐射光放大受激辐射光放大1hv 2hv 4hv 逐级放大从而产生激光逐级放大从而产生激光11受激辐射与受激吸收受激辐射与受激吸收粒子数正常分布：粒子数正常分布：受激辐射：受激辐射：光子数光子数受激吸收：受激吸收：光子数光子数12（1）受激辐射与受激吸收）受激辐射与受激吸收如果f1=f2,由于E2E1,所以n2n1热平衡状态下受激吸收占优势热平衡状态下受激吸收占优势!光强减弱光强减弱 13产生激光需要解决的两个矛盾：产生激光需要解决的两个矛盾：1、受激辐射和受激吸收的矛盾；、受激辐射和受激吸收的矛盾；2、受激辐射和自发辐射的矛盾。、受激辐射和自发辐射的矛盾。（2）

7、受激辐射与自发辐射）受激辐射与自发辐射当T=300K时，R10-35自发辐射占优势自发辐射占优势!3142.3.2 集居数反转集居数反转集居数正常分布集居数反转分布光照或放电T0集居数反转集居数反转是解决受激辐射和受激吸收矛盾的必要条件。解决的方法：解决的方法：（1）大量光照或放电(泵浦、激励、抽运)；利用外界能量使集居数反转的过程称为泵浦、激励或是抽运（2）使TE1,所以n2n1由于B21=B12,所以n1W12大于n2W21激光产生或激光放大的必要条件：激光产生或激光放大的必要条件：粒子数反转粒子数反转 152.3.3 激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统稳定只有只有W时时，n2n1。无法

8、。无法实现实现粒子数反粒子数反转转分布！分布！激光工作物质激光工作物质激活粒子：激活粒子：能够形成粒子数反转的发光粒子。能够形成粒子数反转的发光粒子。基质：基质：为激活粒子提供寄存场所的材料。为激活粒子提供寄存场所的材料。1.二能级系统二能级系统162、三能级系统、三能级系统1具有亚稳态的工作物质，能实现粒子数反转。具有亚稳态的工作物质，能实现粒子数反转。如：如：17受激吸收受激吸收泵浦泵浦非辐射跃迁非辐射跃迁放出能量放出能量形成粒子数反转形成粒子数反转受激辐射受激辐射发出激光发出激光三能级系统中，实现粒子数反转的是上能级E2，下能级是基态E1,由于基态能级上始终集聚大量粒子，要实现粒子数反转

9、，外界泵浦的能量相当强才行183、四能级系统、四能级系统Energy非辐射跃迁非辐射跃迁N非辐射跃迁非辐射跃迁泵浦泵浦受激辐射受激辐射E3 激光上能级E2 激光下能级192.3.4 光的自激振荡光的自激振荡1、受激辐射和受激吸收的矛盾；、受激辐射和受激吸收的矛盾；2、受激辐射和自发辐射的矛盾。、受激辐射和自发辐射的矛盾。产生激光需要解决的两个矛盾：产生激光需要解决的两个矛盾：?20引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射受激辐射受激辐射自发辐射自发辐射相干光子相干光子噪声光子噪声光子竞争状态竞争状态受激辐射为主：受激辐射为主：克服受激辐射和自发辐射的矛盾克服

10、受激辐射和自发辐射的矛盾 2.3.4 光的自激振荡光的自激振荡212024/7/6自发辐射为主自发辐射为主受激辐射为主受激辐射为主不断增大不断增大设想有长度足够大的激活介质：设想有长度足够大的激活介质：1.光学谐振腔光学谐振腔 222024/7/6232024/7/6（1）光学谐振腔的构成：）光学谐振腔的构成：工作物质工作物质两块反射镜：两块反射镜：相互平行，与工作介质轴线垂直，相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面。平面或球面。（2）谐振腔对光束的方向选择性：）谐振腔对光束的方向选择性：平行于轴线：平行于轴线：放大加强放大加强偏离轴向：偏离轴向：逸出腔外逸出腔外激光具有高度方向性激光具有高

11、度方向性242024/7/6（3）光学谐振腔的作用：）光学谐振腔的作用：1.增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；2.维持光振荡，输出稳定激光束；维持光振荡，输出稳定激光束；3.对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；4.选择激光频率。选择激光频率。252024/7/62、振荡条件（阈值条件）（阈值条件）影响因素：影响因素：损耗（反射镜透射、吸收、衍射、散射、折射等）阈值条件：阈值条件：产生激光振荡必须满足一定的条件。激活物质：激活物质：处于集居数反转状态的物质。处于集居数反转状态的物质。

12、26（2）损耗系数损耗系数光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。（3）激光器中光强变化规律激光器中光强变化规律27激光器实现振荡的阈值条件激光器实现振荡的阈值条件28总结：激光产生的条件总结：激光产生的条件（1）有提供放大作用的）有提供放大作用的增益介质增益介质作为激光工作物质，作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。辐射的能级结构。（2）有外界）有外界激励源激励源，使激光上、下能级之间产生集，使激光上、下能级之间产生集居数反转；居数反转；（3）有激光）有激光谐振

13、腔谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。振腔内维持振荡。292.4 激光器的基本组成与分类激光器的基本组成与分类2.4.1 激光器的基本组成激光器的基本组成（1）激光物质；（2）泵浦源；（3）光学谐振腔302.4.2 激光工作物质激光工作物质 激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级为实现粒子数反转之必要条件；现有工作介质近千种，可以产生的激光波长从真空紫外到远红外，非常广泛 1、用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益介质。2、对激光工作物质的要求：尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反

14、转；使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去。312.4.3 激光泵浦源激光泵浦源 激励源使介质出现粒子数反转。可以是光激励、电激励、化学激励、核能激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。作用：作用：对激光工作物质进行激励，将激活粒子 从基态抽运到高能级，以 实现粒子数反转。气体激光器气体放电激励示意图322.4.4 光学谐振腔光学谐振腔 有了前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振所谓光学谐振腔实际是

15、在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。332.4.5 激光器的分类激光器的分类 按工作物质的不同来分类按工作物质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器，光纤激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式。按工作方式的不同来分类：连续激光器和脉冲激光器按工作方式的不同来分类：连续激光器和脉冲激光器34