华中科技大学激光原理课件--第2讲 激光产生机理与特性.ppt

《华中科技大学激光原理课件--第2讲 激光产生机理与特性.ppt》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、激光原理与技术·原理部分第二讲激光产生机理与特性1第一讲复习什么是激光？--受激辐射光放大LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光的理论基础爱因斯坦的受激辐射理论粒子数反转是LASER产生的必要条件2复习1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。32.1激光产生的机理2.1.1理论体系2.1.2黑体辐射与普朗克公式2.1.3自发辐射

2、2.1.4受激辐射2.1.5受激吸收2.1.6跃迁几率之间的相互关系2.1.7受激辐射的相干性2.1.9光的自激振荡42.1.1理论体系经典理论（ClassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子半经典理论（SemiclassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述量子理论（QuantumLaserTheory）电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理速率方程理论（RateEquationTheory）量子理论的简化

3、形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性52.1.1理论体系激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性；不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论；本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。62.1.2黑体辐射与普朗克公式黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体辐射：

4、当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这将导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。72.1.2黑体辐射与普朗克公式普朗克公式：黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数，并可以用单色能量密度描述，表示单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，其量纲为。为了解释实验测得的分布规律，普朗克提出了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T的热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率附近的所有模式上,任意模

5、式上的平均能量为：(1)82.1.2黑体辐射与普朗克公式而腔内单位体积中，频率处于附近单位频率间隔内的电磁场模式数：(2)所以可以得到黑体辐射的普朗克公式(单色能量密度)：(3)其中K为玻尔兹曼常数：92.1.3自发辐射(Spontaneousemission)处于高能级E2的原子自发的向较低能级E1跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称之为自发跃迁，发出的光波称为自发辐射。假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：其中A21为自

6、发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。102.1.3自发辐射(Spontaneousemission)按照定义：从上式可以解出：自发辐射的平均寿命定义为原子数密度由起始值降至它的1/e的时间，则高能级原子数随时间变化可表示为：通过比较可以得到：，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性质决定的，不受外部辐射场的影响

7、。112.1.3自发辐射(Spontaneousemission)如何确定自发辐射系数？生活中的自发辐射？红宝石晶体自发辐射平均寿命测量装置测量得到的原子自发辐射能量衰减曲线122.1.4受激吸收(Stimulatedabsorption)如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高能级跃迁的过程。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，受激地向E2能级跃迁并吸收一

8、个能量为的光子，这一过程称为受激吸收跃迁，用受激吸收跃迁几率描述：受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与外加电磁场成正比，因此唯象的将其表示为：其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。132.1.5受激辐射(StimulatedEmission)与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外加电磁场之间还存在另一种受激相互作用，一个处于高能级E2的原子在频率为的电磁场作用下，受激地跃迁到E1能级，并放出一个能量为的光子，该过程被称为受激辐射跃迁。受激辐射跃迁几率W21