激光原理与技术.docx

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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θm≈1.22λD(λ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

2、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和空间相干，有时用相干长度LC=C∆V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-E1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=（dn21dt）sp1n2=-1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21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-E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2-E1的光子诱发下，处于高能级E2

3、上的原子可能跃迁到低能级E1，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=（dn21dt）st1n2=-1n2dn2dt。受激辐射跃迁与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ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为hv21的光子后跃迁到高能级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

4、过程。受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。三个爱因斯坦系数之间的关系为f1B12=f2B21，A21B21=8πhv3c3（fi为Ei能级的统计权重）；激光产生的两个基本（必要）条件：粒子数反转，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

5、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，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E1和E2两个能级之间产生，其中E1作为基态，作为激光下能级，泵浦源将激活粒

6、子从E1能级抽运到E3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E3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E3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E1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E3能级。E3能级寿命较长，是亚稳态。而E2能级寿命很短，热平衡是基本是空的，因此易于实现E3与E2两能级之间的粒子数反转。增益系数的定义：G(z)=dI(z)dz1I（z）；受激辐射光放大的概念：在

7、一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为受激辐射光放大。激光器的基本组成：工作物质、谐振腔、泵浦源；各部分作用：激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益介质。泵浦原：对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，已实现粒子数反转。谐振腔：①增加激光工作物质的有效长度，使得受激辐射过程有可能超过自发辐射而成为主导；②同时提供光学正反馈，使激活介质中产生的辐射能够多次通过介质，并且使光束在腔内往返一

8、次过程中由受激辐射所提供的增益超过光束所受的损耗，从而使光束在腔内得到放大并维持自激震荡。光学谐振腔的构成：由全反射镜和部分反射镜放置在工作物质两端；特点：侧面开放。共轴球面腔的稳定性条件：01，意义：腔内任何近轴光束在往返有限多次后，都会横向偏折出腔外，这