激光原理激光器基本结构

《激光原理激光器基本结构》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、激光原理本节课主要内容能级跃迁自发辐射受激辐射受激吸收粒子数反转三能级和四能级激光器基本结构纵模横模按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。E1E3E2能级:粒子的内部能量值高能级:能量较高的能级低能级:能量较低的能级基能级:能量最低的能级(相应的状态称基态）激发能级:能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态)651234n激发态基态辐射跃迁和非辐射跃迁1.跃迁:粒

2、子由一个能级过渡到另一能级的过程2.辐射跃迁:粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)①发射跃迁:粒子发射一光子ε=hv=E2－E1而由高能级跃迁至低能级;E2E1②吸收跃迁:粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1而由低能级跃迁至高能级.E2E163.无辐射跃迁:既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)4.激发态的平均寿命τ:粒子在激发态停留时间的平均值τ的典型值:10-7～10-9秒5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁,则该态的平均寿命会很长(≥10-

3、3秒),称亚稳能级,相应的态为亚稳态。一般，能级寿命10-810-9S如H原子2p态0.1610-8S3p态0.5410-8S亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级(20.55eV)10-4S(19.77eV)10-6S7高能级低能级热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律:ENE2E1N1N2光与物质相互作用的三种过程爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程：自发辐射受激辐射受激吸收设N1、N2—单位体积中处于E1、E2能级的原子数。单位

4、体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：自发辐射过程(spontaneousradiation)E2E1N2N1h写成等式Ａ21自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。受激辐射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h设（、Ｔ）—温度为Ｔ时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。则单位体积中单位时间内，从E２E１受激辐射的原子数：写成等式B21受激辐射系数W21单个原子在单位时间内发生

5、受激辐射过程的概率。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------有光的放大作用。则令W21=B21·（、T）受激辐射过程趋近高能级E2上的粒子时外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级E1发射一个全同光子(频率相同、传播方向相同、偏振方向相同）光放大E2E1N2N1h上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：受激吸收过程（stimulatedabsorption）写成等式B12吸收系数令W12=Ｂ12(、T)W12单个原子在单位

6、时间内发生吸收过程的概率。A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。f2B21=f1B12上述关系如何推导得出呢？A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件推导得出。思考：物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？提示：光学中谱的概念，Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱20粒子数反转(populationinversion)从E2→E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。必须N2>N

7、1这种状态称为粒子数反转或者集居数反转。因B21=B12W21=W12产生激光必须其中称为反转粒子数。受激吸收总是占优势表现为光的吸收通常情况下：N1N2B21·(21)·N1B12·(21)·N2粒子数分布反转受激辐射占优势为得到光放大,必须使N2N1视频实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的外界激励能量；2）原子在激发态多“呆”一会；241)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)光的光增益(B)合适的能

8、级结构（合适亚稳态的存在）光的光增益三能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E2于E1间实现粒子数反转。光的光增益亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N27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