最新第1章激光基本性质教学讲义PPT.ppt

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1、第1章激光基本性质Laser:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationlight:光amplification:放大、增强stimulate：刺激、激发emission：发射、放射radiation：辐射教材：激光原理与激光技术(俞宽新)修订版原版教学内容第一章　激光基本原理第一部分:激光基本知识第二章　辐射场与物质的相互作用第三章　介质对光的增益第四章　连续激光器的稳态工作特性第二部分:激光发光机理第五章　光学谐振腔基本理论第六章　稳定球面腔第七章　高斯光束第三部分:谐振腔原理§1光波模式一、定义二、

2、光波矢量(k矢量)三、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：光波等相位面传播方向的单位矢量第一章激光基本原理2、单位s/m3证取长方体封闭腔，体积为v=xyz(m、n、q∈Z)驻波条件zyxxzykx、ky、kz:光波矢量k的x、y、z分量3、计算L一维(r∈Z)三维每个模式在k空间第一卦限内对应一个点，占据的k空间体积为kykzkxkkxkzkyk-k+dk内的模式数：-+d内的模式数：每个驻波有两种不同的偏振态例求封闭腔在5000Å处的单色模密度，若腔体积为10c

3、m3，求波长在5000Å~6000Å之间的光波模式数解一、单色辐射能量密度(普郎克公式)dE:dV体积中频率为-+d内的辐射能量1、定义3、计算k=1.3810-23焦/开:波尔兹曼常数,T:温度2、单位Js/m3§2激光的相关跃迁h=6.6310-34Js：普郎克常数二、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跃迁到E1的粒子数密度n2:E2能级的粒子数密度(spontaneous:自发的)证A212=1令则(3)单位：1/s(

4、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)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一光子态的光子E1E22、跃迁几率(1)定义(2)大小B21:爱因斯坦系数(m3/Js2)(3)单位：1/s(stimulated:受激的)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E2E1E22、跃迁几率(1)定义(2)大小B12:爱因斯坦系数(m3/Js2)(3)单位：1/s(stimulated:受激的)五、爱因斯坦系数关系证(1)粒子数按能级分布

5、(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=3.310-3s,求自发辐射及受激辐射爱因斯坦系数A21和B21(=6943Å)解例2CO2激光器工作温度为227℃,求谐振腔内辐射场的单色能量密度u和受激辐射跃迁几率W21(B21=61020m3/Js2,=10.6m)解§3激光基本知识一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器(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

6、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W14:泵浦几率S43、S21:非辐射跃迁几率E2非稳态(激光下能级)E3亚稳态(激光上能级)E4非稳态W14S43A32W32W23E1基态S212、四能级(He-Ne、YAG、CO2)五、激

7、光特性1、时间相干性和单色性好2、空间相干性和方向性好直径1mm的He-Ne激光器：发散角=10-4rad探照灯：发散角=0.5rad3、亮度(单位面积在单位时间内沿给定方向上单位立体角内的发射能量)高固体调Q激光器亮度是太阳表面的几百万倍He-Ne激光器：氪灯：R=10-5六、激光场能量的物理量1、能量密度:光子数密度2、能流密度(光强)单位：J/m3单位：w/m2v:光波传播速度单位时间流过单位面积(垂直于波传播方向)的能量单位体积中的能量3、能流(功率)单位：wS:光波横截面积单位时间流过某块面积(垂直于波传播方向)的能量例1某光束在折射率为n=1

8、.5的玻璃中传播，光子数密度为=10