最新第2章-激光基本原理课件PPT.ppt

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1、第2章-激光基本原理【引例】世界第一台红宝石激光器GaAs半导体激光器脉冲Nd:YAG激光器MG连续波固态绿光激光器氩/氪离子激光器小功率CO2气体激光器氮气激光器Tsunami超快钛蓝宝石激光器通过激光技术实现的多色激光输出讨论光在如图2.1所示的体积为V的各向同性介质中运动时，可能存在的模式数目分三种情况讨论1.在偏振和频率都是一定的情况下，因传播方向不同，可能存在的模式数目。在整个空间4π立体角内，在单位体积中可以分辨出的模式数为对应于从尺度为d的光源发出的波长为λ的光，因衍射限制，在R处所张的立体角为若取衍射孔的大小为单位面积，则2.在传播方向和偏振都一

2、定时，因频率的不同，在内，可能存在的模式数。一个寿命Δt的光波波列，如图2.2所示，由测不准定理可决定光谱宽度这里，c是光速，是光波列的长度，所以。在ν到ν+Δν频率间隔内的光，可能有个模式若光波的波列长度为单位长度，则上式为3.偏振态不同而可能存在的模式数。具有任意偏振状态的单色平面波，都可以分解为两个振动方向互相垂直的，且彼此有一定相位关系的线偏振光，所以互相垂直的两个线偏振状态是描写光偏振特性的两个独立的偏振状态。对于给定的传播方向和频率的光，只可能有两种不同的模式。因此，在单位体积中，在ν到ν+Δν频率间隔内，因传播方向，频率以及偏振状态的不同，所可能存

3、在的光模式数为故在体积V内，在ν到ν+Δν频率间隔内，光的模式数为光子的动量与坐标之间存在海森堡测不准关系光子坐标x测量值越准确，则动量px的测量值就越不准确只能在相空间划出面积元ΔpxΔx=h，ΔpyΔy=h，ΔpzΔz=h来确定光子的一种状态在六维相空间（x，y，z，Px，Py，Pz）内，光子的一种状态所对应的相空间体积元为上述相空间体积元称为相格。相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。光子以动量Px，Py，Pz组成的动量空间内，它的一种运动状态占据动量空间的体积元由（2-13）得上式中的V=ΔxΔyΔz是光子运动的体积。讨论在ν到ν+Δν频率间隔内，

4、因光子的动量不同，所可能存在的状态数。相当于求出光子在动量空间中一个半径为，厚度为的球壳内，可能有的光子状态数为，如图2.3所示。考虑光子只可能存在两种不同的偏振状态，在体积V内，ν到ν+Δν频率间隔内，因能量、动量及偏振状态的不同，并根据（2-3）式和（2-14），所有可能的光子状态数为与（2-10）式的结果相一致。这表明从波动的观点得到光的模式数，与从光子的观点得到光子的量子状态数是相同的。2.1.2光子的相干性和光子简光度光的相干性可以定义为：不同空间点、不同时刻的光波场的某种特性(如相位)的相关性。上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子

5、态，则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。相格的空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积；属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，而不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。光波模式、光子态、相干体积、相格这些概念都是等价描述。必须注意同一个相格可以对应光子的两种偏振状态，考虑到偏振状态，应该说一个相干体积对应两种光子的量子状态。通常把处于同一态的光子数称为光子的简并度。光子简并度具有以下相同的含义：同态光子数、同一模式下的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数2.2激光的形成和基本特征2.2.1光的受

6、激辐射基本概念1.黑体辐射的普朗克公式处于绝对温度0K以上的任意一个物体，都能够吸收或辐射电磁波，这种由于物体中的分子或原子受到热激发而发射电磁辐射的现象称为热辐射。如果存在一种物体，它能够完全吸收任何波长的电磁辐射，我们就称它为黑体。2.光的受激辐射基本概念当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，变成另一能级时，我们就称它产生了跃迁。凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁称为吸收跃迁，释放能量后从高能级到低能级的跃迁称为辐射跃迁。爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发，认为光与物质相互作用是按照三个过程进行的，即原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射

7、跃迁。自发辐射跃迁几率A21定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率下标sp表示是自发辐射跃迁。假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：自发辐射跃迁的过程是一种只与原子本身的性质有关，而与辐射场ρν无关的过程A21又被称为自发辐射爱因斯坦系数。2）受激吸收（StimulatedAbsorption）图2.7　受激吸收如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预言

8、，黑体原子必然存在着一种