激光原理与技术

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1、激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。半导体激光器的方向性最差。衍射极限em1.22为波长，D为光束直径）；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的,其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。相干性包括时间相干

2、和空间相干，有时用相干长度Lc二島来表示相干时间。自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2-珀的光子，这个过程称为自发跃迁。自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（^）-=dtspn2（门2为〔2能级总粒子数密度；亦21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=（E2-EJ/h的光照激励下，或在能量为hv=E2-E］的光了诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E］,同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21二（警）-=--^o受激辐射跃dtstn2n2dt迁与

3、自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度5成正比，W21=B21Pv,B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E］的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为hV2i的光了后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁,受激吸收恰好是受激辐射的反过程。受激吸收跃迁概率W12二如12)dtS上士器与上个概念类似，W12=B]2Pv，B12称为A2i_8Trhv3爱因斯坦系数。三个爱因斯坦系数之间的关系为f!B12=f2B21,（fi为百能级的统计权重）；激光产生的两个基本（

4、必要）件：粒了数反转，光学谐振腔（减少模式数量）。原因：只要使发光物质处于粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收，当频率为v的光束通过发光物质，光强就会得到放大，这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光，这就是激光器的基本原理。解决受激辐射与自发辐射的矛盾，使受激辐射占绝对优势，还需要利用光学谐振腔来实现光的自激震荡,即激光震荡。激光产生的两个充分条件：阈值条件，增益饱和。原因：因为谐振腔内存在着损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得到的增益大于同一过程中的损耗时

5、，才能维持光震荡，这个条件是激光器实现自激震荡所需要的最低条件，又称阈值条件。三能级系统的构成、特点：受激辐射在Ei和E?两个能级之间产生，其中％作为基态，作为激光下能级，泵浦源将激活粒子从E］能级抽运到兔能级，E3能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁到达E2能级。E2能级的寿命比电长得多，为亚稳态作为激光上能级。四能级系统的构成、特点:与三能级系统类似，其中比为激光上能级，E2为激光下能级，泵浦源将激光激活粒子从基态E］抽运到E4能级，E4能级的寿命很短，立即通A2i_8Trhv3爱因斯坦系数。三个爱因斯坦系数之间的关系为f!B12=f2B21,（fi为百能

6、级的统计权重）；激光产生的两个基本（必要）件：粒了数反转，光学谐振腔（减少模式数量）。原因：只要使发光物质处于粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收，当频率为v的光束通过发光物质，光强就会得到放大，这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光，这就是激光器的基本原理。解决受激辐射与自发辐射的矛盾，使受激辐射占绝对优势，还需要利用光学谐振腔来实现光的自激震荡,即激光震荡。激光产生的两个充分条件：阈值条件，增益饱和。原因：因为谐振腔内存在着损耗，只有当光在谐振腔内来回一

7、次所得到的增益大于同一过程中的损耗时，才能维持光震荡，这个条件是激光器实现自激震荡所需要的最低条件，又称阈值条件。三能级系统的构成、特点：受激辐射在Ei和E?两个能级之间产生，其中％作为基态，作为激光下能级，泵浦源将激活粒子从E］能级抽运到兔能级，E3能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁到达E2能级。E2能级的寿命比电长得多，为亚稳态作为激光上能级。四能级系统的构成、特点:与三能级系统类似，其中比为激光上能级，E2为激光下能级，泵浦源将激光激活粒子从基态E］抽运到E4能级，E4能级的寿命很短，立即通过非辐射跃迁方式到达Es能级。Es能级寿命较长，是亚稳态。