激光原理1资料教案资料.ppt

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1、激光原理1资料3、本质反映光源的单色性二、空间相干性(2)大小(1)定义某时刻沿光传播方向两个不同地点光场有相干性的最大空间间隔，即光波列长度1、纵向空间相干性——相干长度C:光在真空中的速度(3)本质反映光源单色性2、横向空间相干性——相干面积(1)定义某时刻在与光传播方向垂直的平面上使任意两点光场有相干性的最大空间面积(2)大小:光波长，As:光源面积D:光源与平面距离s1s2s2s1DO2a2b①②③当s2-s1=/2时,O处干涉条纹消失证①③②①③②①③②①③②①③②①③②①③②3、本质反映光源尺寸s

2、1s2s2s1DO2a2b①②③三、光源单色性能参数1、定义:光源谱线宽度,0:光源中心频率:光源波长范围,0:光源中心波长2、计算证例2波长为0=0.5m的某光源单色性参数R=10-5,求此光源的相干长度与相干时间解中心频率为0=5108MHz的某光源,相干长度为1m,求此光源的单色性参数R及线宽例1解例3某光源面积为As=10cm2,波长为=5000Å,求距光源D=0.5m处的相干面积解例4波长为=4000Å的光子,其单色性参数为R=10-5,求此光子的位置不确定量解§2光波模式与光子

3、态一、光波模式1、定义2、单色模密度(1)定义dM:dV体积中频率为-+d内的光波模式数可以存在于封闭腔内的每一种单色平面驻波(2)计算证取长方体封闭腔，体积为v=xyz(m、n、q为整数)每个模式在k空间第一卦限内对应一个点由驻波条件zyxxzykykzkxk每个模式在k空间占据体积为k-k+dk内的模式数：-+d内的模式数：考虑到每个驻波有两种不同的偏振态，故单色模密度为3、光波模式的相干性同一光波模式的光波是相干的二、光子态1、光子性质(1)具有三量（能量、动量、质量）(2)服从玻

4、色-爱因斯坦分布(3)具有两种独立的偏振态2、光子态无法区分的光子所处状态同一状态的光子数无限制4、光子态的相干性同一光子态的光子是相干的5、光子简并度(1)同一光子态的光子数(2)同一光波模式中的光子数3、光子态与光波模式的等价关系(2)同一光波模式中的光子为相同光子态(1)同一光子态的光子属于相同的光波模式例1求封闭腔在5000Å处的单色模密度解例2求He-Ne激光器所发光子的能量、动量、质量(光波长为6328Å)解§3自发辐射、受激辐射与受激吸收一、黑体辐射的普郎克公式(单色辐射能量密度)dE:dV体积中频

5、率为-+d内的辐射能量1、定义2、计算证分配到每一个模式上的能量二、自发辐射跃迁1、定义发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1,并发射一个频率为的光子E2E12、跃迁几率(爱因斯坦系数)(1)定义dn21:dt时间内由E2能级跃迁到E1能级的粒子数密度n2:E2能级的粒子数密度(2)大小2:能级寿命(E2能级上的粒子数由初始值减至其1/e所用时间)证n2(t)=n2(0)-n21(t)A212=1令则三、受激辐射跃迁1、定义处于高能级E2的发光粒子在光子诱发下,跃迁到低能级E1,并发射一个与诱发光子同

6、一光子态的光子E2E12、跃迁几率(1)定义(2)大小B21:爱因斯坦系数四、受激吸收跃迁1、定义处于低能级E1的发光粒子吸收了光子后,跃迁到高能级E2E2E12、跃迁几率(1)定义(2)大小B12:爱因斯坦系数五、爱因斯坦系数关系证(1)粒子数按能级分布k:玻耳兹曼常数T:温度(2)热平衡条件(3)爱因斯坦系数关系为使任意温度下该式成立或例1红宝石激光器中的发光粒子Cr+3的上能级寿命为2=310-3s,求自发辐射及受激辐射爱因斯坦系数A21和B21解§4激光基本知识一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器

7、(激光器)2、激光放大器二、产生与放大激光的条件形成粒子数反转(上能级粒子数>下能级粒子数)对输入的弱激光进行放大产生并输出激光2、泵浦源(光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转3、谐振腔(半反镜与全反镜)(1)维持激光振荡(2)改善激光质量如单色性、方向性(1)激活粒子(分子、原子、离子)发光(2)基质寄存激活粒子的材料1、激光工作物质三、激光器构造四、激光器种类1、气体激光器(1)He-Ne发光粒子为Ne原子,光波长0.6328m(2)CO2发光粒子为CO2分子,光波长10.6m电源全反镜半

8、反镜放电管2、固体激光器(1)红宝石发光粒子为(铬离子),光波长0.6943m电源全反镜半反镜激光晶体光泵(2)YAG发光粒子为(钕离子),光波长1.06m3、液体激光器4、半导体激光器五、能级系统1、三能级(红宝石)E1基态(激光下能级)E2亚稳态(激光上能级)E3非稳态W13S32A21W21W12W13:泵浦几率S32:非辐射跃迁几率2、四能级(He-Ne、YA