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1、1.5.激光形成的条件1.5.1介质中光的受激辐射放大一.产生激光的基本条件----受激发射占优势图1-19光在介质中传播的物理图像二.光束在介质中的传播规律图1-20光穿过厚度为dz介质的情况如图(1-20)，频率为的准单色光射向介质，在介质中z处取厚度为dz、截面为单位截面的一薄层，在dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为：图1-20光穿过厚度为dz介质的情况在dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为：dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度为：其中:为介质中z处传播着的光能密度，它与光强I(z)的关系为：dt为光经过dz所需要的时间，存在如下关系
2、，并且有：则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为：图1-20光穿过厚度为dz介质的情况则光穿过dz介质后光能密度的增加值为：解此微分方程得：上式即为光波穿过介质时光强随路程z的变化规律。式中I(0)为z=0处的光强两点结论:①热平衡态下,——低能级上的粒子数较大,光波穿过介质时光强随路程z衰减,物质对入射光的作用宏观表现为吸收。②只有使高能级粒子数超过低能级,即实现的粒子数反转状态(非热平衡态),才能使光波穿过介质时光强随路程z增长,物质对入射光的作用宏观表现为放大——光放大三.介质中粒子的分布情况1.正常分布状态:热平衡态下,粒子数按能级的分布为玻尔兹曼
3、分布2.温度对粒子数分布的影响(E2＞E1)(1)高温极端:可见:极高温时,高、低能级上的粒子数几乎相等。(2)低温极端:可见:低温下,高能级上的粒子数几乎为零。(3).分界点数值例:室温下(T=300K),并设g1=g2,可求得与分界点相应的跃迁频率,而相应波长(远红外)。与光相应的n2＜＜n1结论：室温下,与波长短于远红外(包括近红外、可见光)的辐射跃迁相应的二个能级中,高能级基本上是空的,几乎所有粒子都处于基态。这种情况在室温气体的吸收光谱的近红外的可见光区被观察到，全部吸收光谱都对应从基态到某些高能态的跃迁，观察不到较高能态之间跃迁的吸收谱线。如果
4、将温度提高到数千度，高能态间跃迁将出现，并且吸收谱线中观察到新的谱线。3.粒子数正常分布状态的数学表达式:因为E2＞E1,hv＞0,T＞0,所以4.粒子数反转分布(1).反转条件:破坏热平衡分布(正常分布)的条件(2).反转粒子数密度△n:用来衡量反转程度的物理量定义:于是,反转条件变为:△n＞0(3).等效温度Teq:由有得定义:于是,反转条件变为即:粒子数反转时等效温度为负值。(4).实现反转的手段:激励或泵浦(pumping)或抽运由外界能源向粒子系统输入能量,使大量粒子跃迁到高能级。激励方法(按激励能源分类):光泵抽运、电激励(气体放电激励)、化学
5、激励、核能激励等介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为：即则由：四.增益介质与增益系数1.介质的吸收系数:A——代表介质对光波的吸收能力若令:有:上式说明在一般情况下，介质中吸收过程占主要地位，光波按指数规律衰减。且衰减的相对速率为A，代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减率的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小，将A称为吸收系数。2.讨论:粒子数分布与介质的吸收系数的关系_____________________________________________________________________状态热平衡非热平衡非热平衡___
6、_____________________________________________________＞0(n2劣势)＜0(n2优势)=0粒子数分布状态正常反转“反转阈”=0<1>1=0对光的作用吸收(正吸收)光放大(负吸收)“全透明”I随z的变化指数衰减指数增长不变占优势者受激吸收受激发射无结论:只有破坏热平衡状态,实现粒子数反转分布,才有光放大过程。式中G(增益的相对速率)代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小，将G称为增益系数。增益介质：用外界能源将介质造成粒子数密度反转分布的状态令则有：3.介质的增益系
7、数:G——代表介质对光波的放大能力G＞0相当于A(z)＜0,介质不再是吸收介质而是光放大介质。五.实现光放大的两个条件1.激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去2.增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态1.5.2光学谐振腔和阈值条件一.满足了以上两个条件后，还要采取什么措施使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程，而不是自发辐射？自发发射总是伴有受激发射:因激发态寿命有限,故处于激发态的粒子总会发生自发发射;但自发发射光子对其它粒子则是外来光辐射场,会导致其它粒子的受激发射(及受激吸收)。1.越大,则(q激/q自)越大
8、,受激发射优势越明显2和(λ,T)的关系:例1.λ=6943A的红
