第2讲 激光器的基本工作原理

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1、第二章激光的基本工作原理激光：Laser(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation),辐射的受激发射光放大。主要内容：2）激光的分类；1）激光产生的原理；自从美国人梅曼制造出第一台激光器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光照排、激光美容等….。激光在军事上也有广泛的应用。引言：３）激光的模式及激光谐振腔一、激光的产生原理1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射1）受激吸收（简称“吸收”）处在低能级E1的原子受到等于E2-E1的外来能量时，吸收这一能量跃迁到高能级的过程。E2E1h2

2、)自发幅射E2E1E3L1处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过程。自发幅射的光是非相干光(2)亚稳态能级：不满足选择规则的能级(寿命：）2、受激发射和光的放大(1)自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能态的跃迁只能发生在角动量量子数相差的两个状态之间(3)受激幅射：（1917年爱因斯坦提出）处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。E2E1外来光子受激幅射光子与外来光子频率相同

3、、相位相同、偏振方向和传播方向相同。特点：受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；(4)激光的产生过程粒子数反转状态E1E2E3E4E1E2能量且粒子数正常分布是：激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射和吸收，为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。3、粒子数反转：产生激光的必要条件粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的能量；2）原子在激发态多“呆”一会；3）减小损失，不断放大。二、激光器的结构1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反转的气体、液体或固体所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”

4、，即存在激发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有10-8秒）E1E2E3激发能量亚稳态能级产生激光的能级系统（例）（1）三能系统（2）四能级系统三能级系统四能级系统红宝石激光器铷玻璃激光器2、激励源(泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称“激发”、“抽运”或“泵浦”）。1）光泵抽运如红宝石激光器粒子数反转状态E1E2E1E22）电子碰撞----------如氩离子激光器电子3）化学反应如氟化氘激光器等。4）共振转移如He--Ne激光

5、器。--NeHe--NeHe--要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：全反射镜半反射镜实物图原理图激光工作物质3、光学谐振腔激光工作物质全反射镜半反射镜工作原理：out光放大原理工作物质形态---可以分为气体、固体、半导体、液体等工作方式---连续工作(CWorcontinuouswavelasers)和脉冲工作(Pulsedlasers)其它：按特殊的甭浦形式分类三、激光器的种类1.实现粒子数反转分布的条件电激励化学激励热激励光激励(A)激励(又称泵浦)(B)合适的能级结构二能级系统用光泵的方法不可能实现粒子数反转分布三能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3于E2间实现粒

6、子数反转。E3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亚稳态能级在E2和E1能级间也有可能实现粒子数反转。亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N红宝石激光器的工作物质：红宝石——是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。四能级系统比三能级系统容易实现粒子数反转分布。氦氖气体激光器是四能级系统氖原子在间实现粒子数反转分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞电子碰撞激发电子碰激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移zdz增益介质实现粒子数反转后的工作物质2.介质的

7、增益作用zdI(z)zz+dzL通过增益介质后,光强随距离增长介质对光的增益系数一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。四.光学谐振腔的作用激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：2nL=q=qc2nLL:腔长n:气体折射率振荡模式是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。1.纵模能引起振荡的频率关系