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文档简介

第二章激光产生的基本原理,2.1原子发光的机理,2.1.1原子的结构,丹麦物理学家玻尔Bohr,Niels,经典电动力学认为:原子是不稳定的,电磁辐射谱线是连续。,玻尔原子理论的三条假定:(1)定态假定:存在一系列原子定态,处在定态中的电子虽做轨道运动,但不发射电磁波;(2)角动量量子化:定态运动电子的角动量量子化,其值只能为h2的整数倍;(3)频率假定:仅当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时,才能发射或吸收一个相应的光子。,玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题,以及光谱规律与原子结构的本质联系问题。,静电势能:,电子动能:,原子的总能量:,上式表明,原子的能量是量子化的,只能取一系列分立的值。,2.1.2原子的能级,角动量量子化:,电子轨道半径:,跃迁:原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级。,量子跃迁是量子力学的最基本概念,2.1.3原子发光的机理,非辐射跃迁:在不同能级间跃迁并不伴随光的吸收或辐射。,受激辐射概念的提出:,爱因斯坦发现,若只有自发辐射和吸收跃迁,黑体和辐射场之间不可能达到热平衡,要达到热平衡,还必须存在受激辐射。,辐射的量子理论,2.2自发辐射、受激辐射和受激吸收,第二章激光产生的基本原理,2.2.1自发辐射,只与原子本身性质有关,与辐射场无关。,自发跃迁几率(自发跃迁爱因斯坦系数):,如果存在向多个下能级的跃迁,则荧光寿命缩短如果同时存在非辐射跃迁,则寿命也缩短。,2.2.2受激吸收,:受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,受激吸收跃迁几率:,2.2.3受激辐射,当外来光子的频率满足时,使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。,受激辐射光子与入射光子属于同一光子态(光波模式),具有相同频率、相位、波矢、偏振。受激辐射的光是相干光。,受激辐射跃迁几率:,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,2.2.4爱因斯坦三系数的相互关系,各能级上的原子数密度(集居数密度),玻尔兹曼统计分布:,能级和的简并度,或称统计权重,热平衡状态:,当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程.,与Planck公式比较,1.其他条件相同时,受激辐射和受激吸收具有相同几率。,2.热平衡状态下,高能级上原子数少于低能级上原子数,故正常情况下,吸收比发射更频繁,其差额由自发辐射补偿。,3.自发辐射的出现随而增大,故波长越短,自发辐射几率越大。微波以受激辐射为主,普通光源以自发辐射为主。,2.3.1受激辐射光放大,第二章激光产生的基本原理,2.3激光产生的条件,受激辐射与受激吸收的矛盾,例:T=300K时,,在热平衡情况下,光波辐射以自发辐射为主。,另:受激辐射与自发辐射关系:,1.集居数正常分布,2.3.2集居数反转,克服受激辐射和受激吸收的矛盾,第二章激光产生的基本原理,受激吸收占优势,发生其他两种过程的几率很小。,受激辐射占优势,光通过工作物质后得到加强,获得光放大。,激光产生的必要条件:粒子数反转,泵浦(Pumping):,(抽运、激励),激活物质:处于集居数反转状态的物质。,另外,激辐射大大超过自发辐射,使输出为相干光。,通过中间环节,2.3.3.激活粒子的能级系统,1.二能级系统,二能级系统不能实现粒子数反转分布,2.三能级系统,具有亚稳态的工作物质,才能实现粒子数反转。,亚稳态:不如基态稳定,但比激发态要稳定得多(寿命较长),如:,另一种形式:发射激光,3.四能级系统,(a)Nd:YAG激光器,四能级系统激光下能级是激发态,不是基态,粒子数很少甚至没有,所以很容易实现粒子数反转,泵浦能量较低。,引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射,受激辐射为主:,2.3.4光的自激振荡,克服受激辐射和自发辐射的矛盾,1.光学谐振腔,设想有长度足够大的激活介质:,(1)光学谐振腔的构成:,工作物质,两块反射镜:相互平行,与工作介质轴线垂直,平面或球面,(2)谐振腔对光束的方向选择性:,(3)光学谐振腔的作用:,2.振荡条件,(1)增益系数,增益系数:,光通过单位长度激活物质后光强增加的百分比。,描述光放大作用的大小,进一步讨论可知,增益系数还与光的频率有关。,(2)损耗系数,光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。,(3)激光器中光强变化规律,损耗因素:衍射、散射、透射、吸收等,总结:激光产生的条件,第二章激光产生的基本原理,(1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构。,(2)有外界激励源,使激光上、下能级之间产生集居数反转;,(3)有激光谐振腔,并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。,必要条件:粒子数反转,谐振腔充分条件:阈值条件,增益饱和,第二章激光产生的基本原理,2.4激光器的基本组成与分类,通常激光器都是由三部分组成:,激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔,2.4.1激光器的基本组成与分类,2.4.2激光工作物质,用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系,有时也称为激光增益介质。,2.4.3泵浦源,作用:对激光工作物质进行激励,将激活粒子从基态抽运到高能级,以实现粒子数反转。,气体激光器气体放电激励示意图,对激光工作物质的要求:尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转;使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去。,泵浦方式:光泵浦;气体放电激励化学激励电子注入,2.4.4光学谐振腔,激光束的特性与谐振腔结构有着不可分割的联系,1.提供光学正反馈作用:使受激辐射超过自发辐射。,2.对振荡光束的控制作用:对振荡光束的方向和频率的限制,2.4.5激光器的分类,一、按照激光工作物质分类,1气体

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