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1、7.3 7.3 激光简介激光简介 1.1.激光的特征激光的特征 激光器的种类激光器的种类 激光应用激光应用2.2.光的自发辐射光的自发辐射,受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收3.3.粒子按能级的统计分布粒子按能级的统计分布4.4.能级的寿命能级的寿命5.5.爱因斯坦系数爱因斯坦系数6.6.粒子数反转分布与光抽运粒子数反转分布与光抽运7.7.谐振腔的作用谐振腔的作用8.8.增益系数和阈值条件增益系数和阈值条件(1)(1)激光的特性激光的特性(a)(a)单色性好单色性好在激光出现之前在激光出现之前,最好的单色光源是氪灯最好的单色光源是氪灯.发发射波长射波长=604.7nm,=604.7nm,波长
2、范围波长范围=0.00047nm,=0.00047nm,He-NeHe-Ne激光：激光：(b)(b)高瞬时辐射功率高瞬时辐射功率一个一个P=100P=100瓦特的灯泡瓦特的灯泡:W=100:W=100焦耳焦耳,t=1,t=1秒秒.若若 t=10 t=10-11-11秒秒,则则P=10P=101515瓦特瓦特.这比目前全世界这比目前全世界上总发电功率还要大上总发电功率还要大.1.1.激光的特征激光的特征 激光器的种类激光器的种类 激光应用激光应用(c)(c)好的方向性好的方向性,射得最远射得最远普通光源普通光源,发散角发散角360360度度,激光一般仅有激光一般仅有1/101/10度度.(d)(
3、d)高亮度高亮度亮度公式分母中三个量都非常小亮度公式分母中三个量都非常小,因此一般的激因此一般的激光器亮度可达到比太阳表面的亮度大光器亮度可达到比太阳表面的亮度大1010亿倍亿倍.(e)(e)相位一致相位一致激光是受激辐射光放大激光是受激辐射光放大,相位一致的光才得到放相位一致的光才得到放大大.因此激光有很好的时间相干性和空间相干性因此激光有很好的时间相干性和空间相干性.（2)2)激光的种类激光的种类(a)(a)气体激光器气体激光器He-NeHe-Ne激光器激光器,二氧化碳激光器二氧化碳激光器,氩离子激光器氩离子激光器单色性好单色性好,功率大功率大(b)(b)固体激光器固体激光器红宝石激光器红
4、宝石激光器 功率大，体积小功率大，体积小.(c)(c)染料激光器染料激光器已成功十几种染料已成功十几种染料.输出光可调波长输出光可调波长.波长从紫光到红外波长从紫光到红外.2.2.光的自发辐射光的自发辐射,受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收（1)1)光的自发辐射光的自发辐射,受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收在在没没有有外外来来光光子子的的的的情情况况下下,处处于于高能级的原子以一定几率向低能级跃迁高能级的原子以一定几率向低能级跃迁自自发发辐辐射射是是一一个个随随机机的的过过程程,处处在在高高能能级级的的原原子子,什什么么时时候候向向低低能能级级跃跃迁迁发发射射出出光光子子,带带有有很很大
5、大的的偶偶然然性性,因因而而气气体体中中原原子子自自发发辐辐射射过过程程中中所所发发射射的的光光子子(或或光光波波),),其其相相位位,偏偏振振态态,传传播播方方向向都都没没有有确确定定的的关关系系.即即自发光波是不相干的自发光波是不相干的.(a)(a)自发辐射自发辐射(b)(b)受激辐射受激辐射光光子子激激励励下下 ,处处于于高高能能级级E E2 2的的原原子子,向向低低能能级级跃跃迁迁,发发射射一一个个频频率率与与外外来光子频率相同的光子来光子频率相同的光子.受激辐射是在外来光的激励下产生受激辐射是在外来光的激励下产生,所发光波频率所发光波频率,相位相位,偏振态和传播方向都与外来光波相同偏
6、振态和传播方向都与外来光波相同.所以是相所以是相干的干的.它使入射光波它使入射光波(外来光外来光)加强加强,增加其通量密度增加其通量密度.激激光就是受激辐射的光放大光就是受激辐射的光放大.在频率为在频率为的外来的外来外来光子频率为外来光子频率为在外来光子激励下吸收这个光子在外来光子激励下吸收这个光子,原原子从子从E E1 1低能级跃迁到低能级跃迁到E E2 2高能级高能级.以上这三种过程在光源中同时存在以上这三种过程在光源中同时存在.当受激吸收比当受激吸收比受激辐射过程强时受激辐射过程强时,宏观上表现为光强逐渐减弱宏观上表现为光强逐渐减弱;反之反之,光强逐渐增强光强逐渐增强.(c)(c)受激吸
7、收受激吸收或或热热平平衡衡时时,处处于于高高能能级级的的原原子子数数总总是是低低于于处处于于低低能能级级 的的原子数原子数.即即4.4.能级的寿命能级的寿命E E2 2能级上的粒子数能级上的粒子数,在在dt dt 时间内自发跃迁到时间内自发跃迁到E E1 1能级上能级上的粒子数为的粒子数为-dN-dN2 2,则则因此因此将上式积分将上式积分,得得令令为单位时间由为单位时间由E2能级向能级向E1能级跃迁的几率能级跃迁的几率.则有则有由于受激辐射和受激吸收是由于外来光引起的，故单位时由于受激辐射和受激吸收是由于外来光引起的，故单位时间的跃迁几率应与原子周围该频率的辐射能量密度成正比间的跃迁几率应与
8、原子周围该频率的辐射能量密度成正比.因此因此称为爱因斯坦系数称为爱因斯坦系数.由普朗克公式由普朗克公式:上式与前式相比较，得上式与前式相比较，得要使上式两端对任何要使上式两端对任何h h/kT/kT之值之值都成立都成立,相应系数必须相等相应系数必须相等.即即上面两关系式叫做爱因斯坦关系式上面两关系式叫做爱因斯坦关系式,虽然是在热平虽然是在热平衡条件下推出的衡条件下推出的,但它对普遍情况仍是适用的但它对普遍情况仍是适用的.是单位时间粒子由是单位时间粒子由E2能级跃迁到能级跃迁到E1能级上的几率能级上的几率,是单位时间粒子由是单位时间粒子由E2能级跃迁到能级跃迁到E1能级上的几率能级上的几率.粒子
9、数反转与光抽运粒子数反转与光抽运(1)(1)粒子数反转粒子数反转 自发辐射不相干自发辐射不相干,受激辐射是相干的受激辐射是相干的,要获得相干要获得相干性很强的光性很强的光,就要用受激辐射产生光放大就要用受激辐射产生光放大.当一束光射入粒子系统后当一束光射入粒子系统后,两种受激跃迁过程同两种受激跃迁过程同时发生时发生,互相竞争互相竞争,在光束经历了一段过程后若被吸收在光束经历了一段过程后若被吸收的光子数多于受激辐射的光子数的光子数多于受激辐射的光子数,则宏观效果是光吸则宏观效果是光吸收收,反之反之,则宏观上表现为光放大则宏观上表现为光放大.时间内受激吸收的光子数时间内受激吸收的光子数时间内受激辐
10、射的光子数时间内受激辐射的光子数两者之差两者之差若若则光放大则光放大.但热平衡时但热平衡时,粒子按正则分布粒子按正则分布,总是总是宏观上总是表现为光吸收宏观上总是表现为光吸收.因此因此,要想实现受激辐射光放大要想实现受激辐射光放大,必必须造成须造成的粒子数反转分布的粒子数反转分布.为了实现粒子数反转分布为了实现粒子数反转分布,必须供给原子能量必须供给原子能量,把低能级的原子搬到高能级上去，这种过程叫把低能级的原子搬到高能级上去，这种过程叫做做光抽运光抽运.(2)(2)实现粒子数反转的两种系统实现粒子数反转的两种系统(a)(a)三能级系统三能级系统红宝石激光器红宝石激光器:光激励光激励光光抽抽运
11、运无辐射跃迁无辐射跃迁 氙氙弧弧光光灯灯强强烈烈闪闪光光,把把红红宝宝石石中中的的铬铬离离子子从从基基态态抽抽运运到到激激发发态态E E3 3,使使基基态态粒粒子子数数减减少少.E E3 3能能级级上上离离子子寿寿命命约约1010-11-11 1010-8-8,由由于于碰碰撞撞以以无无辐辐射射跃跃迁迁的的方方式式转转到到E2能级上能级上.E E2 2为为亚亚稳稳态态,寿寿命命长长达达1010-3-3 1 1秒秒,这这样样,E,E2 2上上就就聚聚集集很很大大量量的的离离子子,很很快快造造成成了了与与基基态态粒粒子子数数反反转转分分布布外外来来光频率为光频率为的成分就被放大的成分就被放大.E E
12、1 1和和E E2 2间的自发辐射也可以作为外来光间的自发辐射也可以作为外来光.若受激辐射压倒受激吸收若受激辐射压倒受激吸收.则实现光放大则实现光放大.(b)(b)四能级系统四能级系统抽抽运运激励激励无辐射跃迁无辐射跃迁 HeHe原原子子被被电电子子碰碰撞撞激激发发,3 3s s和和1 1s s亚亚稳稳态态向向低低能能级级的的跃跃迁迁是是光光学学禁禁戒戒跃跃迁迁,因因而而在在3 3s s和和1 1s s能能级级上积累原子上积累原子.NeNe原原子子的的2s2s和和3s3s能能级级与与HeHe原原子子的的3 3s s和和1 1s s能能级级接接近近,因因此此,当当一一个个处处于于亚亚稳稳态态的的
13、HeHe原原子子与与一一个个处处于于基基态态的的NeNe原原子子相相碰碰时时,它它们们之之间间存存在在着着高高的的转转移移几几率率.碰碰撞撞的的结结果果,造造成成3s3s与与3p,3p,2s2s与与2p2p之之间间的的粒粒子子数数反反转转,由由于于3p3p和和2p2p能能级级上上离离子子数数为为零零,因因此此,只只要要3s3s和和2s2s上上有有较较少少离离子子,就就能产生激光能产生激光.谐振腔对光束方向的选择，谐振腔对光束方向的选择，7.7.谐振腔的作用谐振腔的作用(1)(1)选择光传播方选择光传播方.无谐振腔时受激辐无谐振腔时受激辐射的方向是随机的射的方向是随机的(2)(2)谐振腔的选频作
14、用谐振腔的选频作用满足满足的光才能相干加强的光才能相干加强.出射光中出射光中,每一个频率每一个频率为一个纵模为一个纵模.相邻两个纵模间隔相邻两个纵模间隔:纵模个数纵模个数:单模线宽单模线宽:出射激光光谱出射激光光谱8.8.增益系数和增益系数和阈值条件阈值条件(1)(1)增增益益系系数数G G定定义义为为光光传传播播单单位位距距离离光光强强增增加加的的百百分比分比.如右图，如右图，光强与增益系数的关系：光强与增益系数的关系：(2)(2)阈值条件阈值条件光在谐振腔中震荡光在谐振腔中震荡,有两个对立的因素有两个对立的因素:在激活介质中光增益在激活介质中光增益,它使光放大它使光放大;端面上光吸收端面上光吸收,衍射和透射衍射和透射,它使光强变小它使光强变小.因因此此,在在激激光光器器中中,必必须须使使光光在在工工作作物物质质中中来来回回一一次次产产生生的的增增益益,足足以以补补偿偿在在一一次次来来回回中中光光的的种种种损耗种损耗.