激光原理论文

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1、《激光原理》课程论文激光构成思想及产生的必要条件原理概述学校：西北大学院系：物理学系专业：光信息科学与技术姓名：相辉学号：200811210111摘要：激光作为新型强相干光源的出现，是现代信息光学发展的三大事件之一。激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助，已被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域，带动了许多新兴学科的发展。激光的诞生是一种巧妙的设计，激光的产生综合考虑了各种问题，创

2、造性地解决了物质自然状态下的很多难题。然而，它的构成思想又是朴素的，所选择的器件也是有针对性、有方向性的，它表现出来的宏观特性又是神奇和具有广泛用途的。本文介绍激光的构成思想，阐述了激光工作原理和实现激光产生的种种必要条件，诸如粒子数反转条件、谐振腔稳定条件、振荡条件等，并说明了激光器件各部分的功能作用及四大宏观特性的产生原因。关键词：受激放大粒子数反转增益谐振腔稳定条件振荡条件宏观特性11一、激光器的构成思想及组成部分激光要实现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子，而且是从高能级向低能级跃迁，

3、同时把变化的能量以光子的形式释放出来，这是激光形成的基础。然后，要对光子数密度进行不断放大，很快将极强的激光震荡而输出。但是，在一般情况下，自发辐射的几率远远大于受激辐射几率，而且通过提高温度的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的，这就需要能够容易产生光子的激光工作物质，同时需要在热平衡条件下对工作物质增加一个激励系统，打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布，形成反转粒子数分布，使得工作物质对光子的吸收为主变为对光子的放大超过吸收。为了实现放大辐射，就要提高光子简并度，因为工作物质不可能做得太长，但是可以

4、增加通过工作物质的次数使得光子数密度增大，这就需要有谐振腔，由两面发射镜组成的反馈光学系统。同时，为了提高同一状态内的光子数，必须大大减少谐振腔内的模式密度，这就需要将谐振腔做成开放式谐振腔，使得偏离光轴方向传播的光波模式损失掉，只保留少数沿光轴方向传播的模式。综上，激光的产生过程是：激光工作物质在泵浦源的激励下被激活，即介质处于粒子数反转状态，在粒子数反转分布的两能级和之间，由自发辐射过程产生很微弱的特定频率（）的光辐射。在自发辐射光子的感应下，在上下能级和之间产生受激辐射。这种受激辐射光子与自发

5、辐射光子的性质（频率、相位、偏振、传播方向）完全相同，很快由这些光辐射在介质中产生连锁反应，由于谐振腔的作用，这些光子在腔内多次往返经过介质，产生更多的同类光子密度，因此就可能使某类光子的受激辐射成为介质中占绝对优势的一种辐射，从而从谐振腔的部分透射镜端输出光能，这就是激光。因此，各种激光器的基本组成部分有：（1）工作物质，实现粒子数反转并产生激光的物质体系，是激光器的心脏；（2）激励系统，激光系统能源的供应者，并以一定方式促成激光工作物质处于粒子束反转状态；（3）光学谐振腔：提供光学反馈条件，并对

6、于激光器的振荡波形进行选择和限制。11一、激光产生的必要条件原理1.光放大条件：粒子束反转假设有一个二能级系统，在物质处于热平衡状态下，分布在各能级上的原子个数的多少服从玻尔兹曼分布：(1)为光波模式数。在通常情况下，低能级的原子数密度总是大于高能级的原子数密度，即，则总是有：（2）这是光通过介质时，吸收过程总大于光的受激辐射过程。如果在外来能量激发下，使物质中处于高能级的原子数密度大于处于低能级原子数密度，即，或者（3）光的受激辐射大于光的吸收，使物质的输出能量大于入射光能量，这就是光放大过程，就

7、是反转粒子数密度。此时的介质为激活介质或增益介质。对于（1）式，因，要使（2）（3）式成立，介质温度满足，所以粒子数反转状态又称为负温度状态。假设粒子在高能级和低能级上的寿命和分别与它们自发辐射系数和成反比，即，。设单位时间内激发到能级的粒子数为，由于自发辐射影响，处于上的粒子个数保持不变，单位时间内激发到能级上的粒子数必须等于自发辐射消耗的粒子数个数，即：，同理得：。由这两个关系得：，，带入到（3）式得：11（4）（4）式也是粒子数反转的条件表达式。由此式得，要实现粒子数反转，要求在单位时间内激发

8、到上能级的粒子数愈多愈好，跃迁到下能级的粒子数愈少愈好；上能级的寿命愈长愈好，愈小愈好。因此在选择激光物质时，要求其激光上能级寿命要长，粒子数要多，下能级粒子要少，寿命要短。2、光学谐振腔的稳定条件基本的光学谐振腔由两个有一定间距的共轴球面反射镜所构成。激光束在共轴球面腔内经过多次往返后，若光束位置仍紧靠光轴，始终保持在腔内而很少逸出腔外，则光学谐振腔稳定。共轴球面镜腔的稳定条件:对于稳定的谐振腔，要求任意近轴光线在腔内往返多次之后，其坐标参数应保持有限。因此能过分析