激光产生的原理

《激光产生的原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、1.论述激光产生的原理。答：激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时，总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位。由此，需要得到受激辐射占主导地位的特定条件。那么需要讨论的是受激辐射、自发辐射和受激吸收三者之间的关系，由此得出该条件。首先具体讨论这三种过程。受激辐射是开始处于基态的原子，如果没有任何收外来光子

2、接近它，它将处于基态。如果有一个能量为的光子接近它，它则有可能吸收该光子，从而提高它的能态。该原子在吸收了光子的能量之后，跃迁到激发态上去。在此吸收过程中，只有光子的能量恰好等于原子的能及间隔时，光子才能被吸收。设处于基态的原子数密度为，光辐射能量密度为，在单位体积、单位时间内吸收光子跃迁到激发态上的原子数应该与、成正比，即（1）设比例系数为，则（2）其中称为吸收系数，称为吸收几率，用表示。它表征原子体系在外来光辐射作用下，产生到受激吸收的本领。则(2)式改写为（3）接下来，来看自发辐射的具体过程。处于激发态的原子很不稳定，

3、它们在激发态停留的时间一般都很短，大约为的数量级。不受外界的影响，它们也会自发的返回基态去，从而放出光子。这种自发地从一个激发态回到比该激发态更低的能态而放出光子的过程称为自发辐射。若处于激发态的原子数密度为，则自发辐射的光子数为（4）设为自发辐射系数。则（5）图1-1表示自发辐射的全过程图1-1最后是受激辐射的过程，该过程由爱因斯坦提出。处于激发态的原子，在外来光子影响下，引起高能态向低能态跃迁，并把两个状态之间的能量差以辐射光子的形态发射出去，这即为受激辐射的过程。受激辐射的原子数为（6）设为受激辐射系数，则有(7)其中

4、为受激辐射几率。用表示，它表征的是原子体系在外来光辐射作用下，产生到受激跃迁的本领。式(7)改写为（8）受激辐射是由外来光子引起的，且外来光子的能量满足时，才能产生受激辐射。受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态、相同的位相以及速率。我们已经讨论了受激吸收、自发辐射和受激辐射这三种过程，并分别引出了表征这三个过程中跃迁本领强弱的三个系数，即受激吸收系数、自发辐射系数、受激辐射系数。这三个系数含义不同，但都表征同一原子的特征，则这三者必然有内在联系。这就引回了刚开始我们所要讨论的问题。前面已

5、指出当光和原子相互作用是，必然同时存在这三个过程。达到平衡时，单位体积、单位时间内通过受激吸收过程，从基态跃迁到激发态的原子数，等于从激发态通过自发辐射和受激辐射而跃迁到基态的原子数。所以在平衡条件下，有（9）代入（2）、（5）、（7）式，则得（10）即(11)在处于热平衡状态下，粒子数密度按能量分布遵从玻耳兹曼定律，即和满足下列关系式（12）把式（12）代入式（11），有（13）对于黑体辐射来说，热平衡状态时，腔内的辐射场是不随时间变化的稳定分布，而热平衡辐射的能量密度为（14）比较上两式，可得到受激吸收、自发辐射和受激辐

6、射三个系数之间的关系：（15）（16）（17）由此，可知受激辐射过程会产生很多频率、发射方向、偏振、位相、速率完全相同的光子，这是产生激光所需的。但光与原子体系相互作用时，还伴随其他两种过程，我们需要得到的是得到受激辐射胜过手机辐射和自发辐射，在三者中占主导地位的特定条件。根据（2）、（7）式，有（18）（19）单位时间、单位体积内原子体系受激吸收光能量为手机辐射产生的光能量为单位时间、单位体积内产生的净光能为设此原子体系的体积为，截面积为，长度方向沿轴，则单位时间、单位体积内产生的净光能量可表示为（20）E表示光能量。引入

7、光强，则有表示光速，则式（20）可以写成代入式（15），得（21）令则式（21）可以写成上式的解为（22）时，光强按上式指数规律增强：当时，光强按上式指数衰减。而在实际的原子体系中，由于处于热平衡态，,据玻耳兹曼的平衡态分布定律，有即处于高能级的原子数总是比处于低能级的原子数少，能及越高，在该能级上的原子数就越少，基态能级上的原子数越多。通常情况下原子体系总是处于热平衡态，故总是小于，总是负的。受激吸收的能量总是大于受激辐射的能量，即受激吸收过程总是胜过受激辐射过程，受激吸收过程不具有光放大的特征。若我们能够通过某种方法破坏

8、原子体系粒子数的热平衡分布，使，那么，受激辐射的能量将大于受激吸收的能量，手机辐射过程将胜过受激吸收过程，此时的粒子数分布已经不是热平衡分布。这种分布被称为粒子数反转分布，其含义此刻粒子数差，与通常情况下的粒子数差符号相反，若要得到激光，则需能实现粒子数反转的物质。并非所有物质都能实现粒子