[理学]激光物理论文

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1、激光物理作业徐晶2007213241激光产生原理光与物质的相互作用，是激光产生原理的基础。光与物质相互作用时可出现受激吸收、自发辐射、受激辐射现象。而对激光的产生贡献最大的则是受激辐射。对于物质中处于高能级上的原子，如果在它发生自发辐射以前，受到频率的外来光子的作用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。这种辐射不同于自发辐射，称为受激辐射。当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即：频率、位相、偏振和

2、传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被“放大”了光与原子体系相互作用，总是同时存在吸收、自发辐射和受激辐射三个过程。在稳定状态下，高能态的粒子数多于低能态的，而受激辐射要高能级的粒子数多于低能级的，使受激辐射过程强于吸收过程。设原子体系体积元为dV，截面积为S，t为辐射时间，长度沿z轴。则单位时间单位体积内产生的净光能量表示为引入光强I，则光强所以有，代入上式有解微分方程有:在实际原子体系中，，即α（v）总是负的，吸收能量大于受激辐射能量。也就是说吸收过程总是胜过受

3、激辐射过程。如果能采取措施，那么有，受激辐射过程将超过死后过程，此时粒子分布不是平衡分布了，我们把这种分布称为粒子数反转。因此粒子数的反转是产生激光的必要条件。能实现粒子数反转的工作物质最常见的是三能级系统或四能级系统的。激光发射的第二个条件是必须有一个起正反馈、谐振和输出作用的光学谐振腔。仅有粒子数反转分布还不能形成激光。因为激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态的寿命时间范围内会纷纷跳回到基态，形成自发辐射，这些光子射向四面八方。要产生激光振荡还必须有起着正反馈、谐振和输出作用的光学谐振腔。在

4、谐振腔中，偏离工作物质轴向的光子逸出腔外，只有沿着轴向传播的光子在谐振腔两端反射镜作用下才能往返传播。这些光子就成为引起受激辐射的激发因子，它们可导致轴向受激辐射的产生。受激辐射发出的光子与引起受激辐射的光子有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态。它们沿轴线方向不断地往返，穿过已实现粒子数反转的工作物质，从而不断地引发受激辐射，使轴向行进的光子不断得到放大和振荡。这种雪崩式的光放大过程使得谐振腔内沿轴线方向的光量骤然增大，并从谐振腔的部分反射镜端射出，这就是激光束。由于工作物质在光学谐振腔内虽然

5、能够引起光放大，但是在光学谐振腔内还有许多损耗因素。如反射镜的洗后、投射和衍射，工作物质不均匀所造成的折射或散射等。如果由于种种损耗的结果，使得工作物质的放大作用抵偿不了这些损耗。那就不可能在光学谐振腔内形成雪崩式的光放大过程。这就是说，对于光放大，还必须满足一定的阈值条件。式中R1和R2分别为谐振腔两块反射镜的反射率，a(v)为工作物质的增益系数，L为两个反射镜的间距。该公式表明，光在谐振腔中每经过1次往返，即经过2次反射后，光强都要改变倍。若小于1，就意味着往返一次后光强减弱。来回多次反射后

6、，它将变得越来越弱，因而不可能建立激光振荡。此外，只有当粒子反转数达到一定数值时，光的增益系数才足够大。因此，实现光振荡并输出激光，除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外，还必须减少损耗，加快泵浦抽运速率，从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。电磁感应透明通过量子干涉效应，能使不透明的介质变为透明，使介质对探测光（尤其重要的是对弱探测光）的吸收几乎为零，这就是通常所说的电磁诱导透明（ElectromagneticallyInducedTransparency，简称EIT）。Imamoglu

7、和Harris最早在理论上提出EIT，然后于1991年在实验上观察到这一现象。此后人们意识到，当共振吸收被消除时，非线性光学效应能得到增强，也能使探测光的性质得到更好的利用。下面我们将具体讨论电磁诱导透明如何产生的。研究表明，能够形成电磁感应透明效应的原子能级组态有很多种。右图是典型的用于产生电磁感应透明效应的Λ型三能级系统，其中能级→能级的跃迁是偶极禁戒的。近共振地给介质外加两束光场，其中一束光的频率与能级和能级间的跃迁频率相近，用以探测介质对光场的吸收，称作探测光；另一束频率为的光将态和态耦

8、合起来，称作耦合光(或抽运光，控制光)。当两束光的频率满足共振条件，即光频率与能级跃迁频率的失谐Δ为零时，探测光能够无吸收地通过介质，即介质对探测光是透明的，这就是电磁感应透明现象。从图2中可以看到，耦合场和原子能级之间的衰减组成了布居转移的两步通道。在耦合场作用下，能级上的布居经过能级转移到能级上。即布居被捕获在能级上。在这种情况下，即使有光场的作用存在，处于此能级上的原子也不再参与光的耦合作用，从而表现出对光的无吸收现象。因此，我们把这种情况称为相干布居捕获。当用一个强驱动场和一个弱探测场作