激光原理激光器基本结构.ppt

激光原理,本节课主要内容,能级 跃迁 自发辐射 受激辐射 受激吸收,粒子数反转 三能级和四能级 激光器基本结构 纵模 横模,按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。,激发态,基态,6,辐射跃迁和非辐射跃迁,1.跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程,2.辐射跃迁: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则),发射跃迁: 粒子发射一光子 = hv=E2E1而由高能级跃迁至低能级;,吸收跃迁: 粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能级跃迁至高能级.,7,3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程),4.激发态的平均寿命 : 粒子在激发态停留时间的平均值的 典型 值: 10-710-9秒,5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射 跃迁, 则该态的平均寿命会很长(10-3秒), 称亚稳能级,相应的态为亚稳态。,一般，能级寿命 10-8 10-9 S 如H原子 2p态 0.1610-8 S 3p态 0.5410-8S 亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV) 10-4 S (19.77eV) 10-6 S,高能级,低能级,热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布,光与物质相互作用的三种过程,爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程： 自发辐射 受激辐射 受激吸收,设 N1 、N2 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。,单位体积中单位时间内， 从E2 E1自发辐射 的原子数：,自发辐射过程(spontaneous radiation),写成等式,21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。,各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光 。,受激辐射 (stimulated radiation),全同光子,设 （、）温度为时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。,则单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：,写成等式,B21受激辐射系数,W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同-有光的放大作用。,受激辐射过程,上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：,受激吸收过程（stimulated absorption ）,写成等式,B12 吸收系数,令 W12=12 ( 、T),W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。,A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。,结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出,爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。,f2B21 = f1 B12,上述关系如何推导得出呢？ A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件推导得出。,思考： 物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？,提示：光学中谱的概念，,20,Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱,粒子数反转 (population inversion),从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能 引起吸收过程。,必须 N2 N1 这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转。,因 B21=B12, W21=W12,产生激光必须,视频,24,实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用,粒子数反转状态,怎样才能实现粒子数反转呢？,1）提供足够的外界激励能量；,2）原子在激发态多“呆”一会；,1) 实现粒子数反转分布的条件,电激励,化学激励,热激励,光激励,(A) 激励(又称泵浦),光的光增益,(B) 合适的能级结构（合适亚稳态的存在）,光的光增益,27,三能级系统 当泵浦光足够强时，有可能使 ,在能级E2 于E1 间实现粒子数反转。,光的光增益,28,红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。,采用光激励方法： 受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。,光的光增益,29,四能级系统 比三能级系统容易实现粒子数反转分布。,光的光增益,30,四能级系统 当泵浦光足够强时，有可能使 ,在能级E3 于E2 间实现粒子数反转。,光的光增益,亚稳态能级,N,E,0,31,Nd：YAG激光器是四能级系统,32,氦氖气体激光器是四能级系统,光的光增益,共振转移,33,产生激光的能级系统,（1） 三能系统,（2）四能级系统,34,(1) 要有适当的激光工作物质 (2) 要有外界激励源 (3) 要有激光谐振腔,激光形成的基本条件,激光形成的基本条件或激光器的基本结构,产生激光的条件,35,激光器的组成,工作物质,激光器,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,36,激光工作物质,全 反 射 镜,半 反 射 镜,工作原理：,out,光放大原理,37,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,光学谐振腔的作用,光学谐振腔,38,振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。,q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。,1.纵模 能引起振荡的频率关系 2.横模 光场在横向不同的稳定分布。,光学谐振腔,39,小结：产生激光的必要条件,. 激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）,. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级）,.