激光基本原理概述讲解word版本.ppt

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1、激光基本原理概述讲解E1E2hnE1E2hn自发辐射（SpontaneousEmission）。主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。自发辐射几率(Spontaneoustransitionrate)A21－能级21跃迁的特征参数E2能级平均寿命推导A21ands的关系式E1E2hn在自发辐射过程中，E2能级上粒子随时间按指数衰减自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命ts呈倒数关系ts可以通过实验测得，由A21=1/

2、s可获得自发辐射几率A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关受激跃迁受激吸收stimulatedabsorption(STA)受激发射stimulatedemission(STE)hnE1E2受频率为的光场作用受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输方向受激吸收几率W12受激辐射几率W21－单色能量密度(J·m-3·s)受激辐射几率与辐射场的强度成正比能级21and12的受激跃迁几率相等即受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数B12和B21的大小只与物质本

3、身性质有关，与外界辐射场无关A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导二、爱因斯坦关系式－A21、B21和B12的关系爱因斯坦关系热平衡黑体辐射公式玻尔兹曼分布模密度n黑体辐射分配到腔内每个模式的平均能量f1=f2能级简并度说明：SPE,STA,STE三种过程同时存在，只是有强弱差别两种辐射比较(热平衡情况下)答案：SPE（自发辐射）占绝对优势单位时间STE增加的光子数密度单位时间STA减少的光子数密度3.两种受激跃迁比较(热平衡情况下)T=1500K,l=500nm空腔4.自发辐射光子可作为引

4、起受激辐射的外来光起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发辐射因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。§1.3激光产生的基本原理（概述）激光产生的条件:(1)粒子数反转分布(2)增益>损耗即自激振荡的阈值条件FlashlampFlashlampOutputbeamExternalmirrorExternalmirrorPartlytransmissionRubylaser694.3nm发光粒子－铬离子(Cr3+)泵浦光源－闪光灯,其作用是实现铬离子反转分布光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐

5、射光放大形成激光以红宝石激光器(RubyLaser)为例一、受激辐射占优势的条件－粒子数反转分布（populationinversion）粒子数反转分布受激辐射占主导光放大实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质粒子数反转分布是产生激光的前提条件如何实现粒子数反转分布？只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转En常温下，Bolzman分布反转分布r1r2mediumenergysourceAlmostanyenergysourcecanbeusedaspump,eve

6、nanotherlaser.泵浦方法光学a)闪光灯；b)其它激光器（如半导体激光器）电a)气体放电;b)大能量电子束;c)注入电流(产生电子-空穴对)3.化学反应a)火焰;b)爆炸4.电离性辐射a)核弹b)X-ray5.Thermaloven……二、受激辐射光放大开放式谐振腔（Openresonatororcavity）模选择提高光子简并度(Photondegeneracy)激活介质中的增益增益系数(gaincoefficient),增益饱和(gainsaturation)增益曲线(gainprofile

7、)光子简并度开放式谐振腔的模选择增益系数(小信号、大信号、增益饱和)d.增益曲线(增益系数对于频率的分布)激光特性:单色性好、方向性好、光亮度相干光(coherentlight)自发辐射～非相干光－光子简并度很低受激辐射～相干光－光子简并度高什么是光子简并度n－衡量相干光的参量具有相同能量和动量的光子数（也称同态光子数）同一模式中的光子数Photondegeneracy例：黑体辐射源（近似封闭腔）的光子简并度模密度n黑体辐射分配到每个模式的平均能量Example:T=300K=30cmn=103coh

8、erent=60mn=1;=0.6mn=10-35incoherent结论:黑体辐射在红外和可见光波段为非相干的模密度nn式(1.3.2)的物理意义?(1.3.2)(2)避免产生许多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一个或少数几个模内。(3)将封闭腔改为开放式谐振腔(1)最简单的开放式谐振腔是F-P腔开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加,其它模式(非轴向)逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。光谐