激光原理及应用：第2章激光产生的基本原理

1、第2章 激光产生的基本原理,2.1 原子发光的原理,2.1.1 原子的结构,玻尔理论，关于原子结构的一种理论。1913年由玻尔提出。是在卢瑟福原子模型基础上加上普朗克的量子概念后建立的,三条假设： 原子能量的量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中的原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量。 原子能级的跃迁假设：原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子辐射一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。 原子中电子运动轨道量子化假设：原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。由于原子的能量状态是不连续的，因此电子运动的轨道也可能是不连续的，即电子不能在任意

2、半径的轨道上运动,Ze,e,f,F,由玻尔第三假设：电子的角动量mVr只能等于h/2的整数倍，即,9.1095340.000047)1031kg,6.6261760.000036)1034 J,2.1.2 原子的能级,势能,动能,总能量,2.1.3 原子发光的机理,辐射跃迁,辐射跃迁-非辐射跃迁,与现实生活总看到的光有点与一样,2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收,2.2.1 自发辐射,原子数密度由n20降到1/e所用的时间,A21为自发辐射跃迁爱因斯坦系数,自发辐射产生的光都是非相干的,2.2.2 受激辐射,特点： （1）有外来光子； （2）发射的光子与外来光子特性完全相同,B21为受激辐射

3、跃迁爱因斯坦系数,2.2.3 受激吸收,B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数,A21 B21 B12,2.2.4 三个爱因斯坦系数之间的关系,A21B21B12,能级Ei上的粒子数ni（集居数）服从玻耳兹曼（Boltzman）定律,请看书上的例题,光场与物质相互作用应该使物质处于温度为T的热平衡状态,在热平衡的条件下,或,由黑体辐射的普朗克公式,2.3 激光产生的条件,2.3.1 受激辐射光放大,1hv 2hv 4hv,由于受激辐射产生的光子都是同态光子，之间是相干的，这种由受激辐射产生而被逐级放大从而产生激光,1）受激辐射与受激吸收,如果f1=f2,由于E2E1,所以n2n1,由于B21=B12

4、,所以n1W12大于n2W21,受激吸收占优势,产生激光需要解决的两个矛盾,1、受激辐射和受激吸收的矛盾； 2、受激辐射和自发辐射的矛盾,2）受激辐射与自发辐射,当T=300K时，R10-35,自发辐射占优势,这两个矛盾可否不解决,2.3.2 集居数反转,集居数正常分布,集居数反转分布,光照或放电,T0,集居数反转是解决受激辐射和受激吸收矛盾的必要条件,解决的方法： （1）大量光照或放电(泵浦、激励、抽运)；利用外界能量使集居数反转的过程称为泵浦、激励或是抽运 （2）使T0K（即集居数反转分布为负温度状态）（非热平衡,如果f1=f2,由于E2E1,所以n2n1,由于B21=B12,所以n1W1

5、2大于n2W21,2.3.3 激活粒子的能级系统,1、二能级系统,激活粒子能够形成粒子数反转的发光粒子。不是所有物质都可以作为激活粒子,基质为激活粒子提供寄存场所的材料。激活粒子有时候不能单独存在,稳定,只有W时，n2n1。无法实现粒子数反转分布,但是并不是所有的激活粒子的两能级都能实现粒子数反转，要有合适的能级系统,2、三能级系统,2,2,3,1,三能级系统中，实现粒子数反转的是上能级E2， 下能级是基态E1,由于 基态能级上始终集聚大量粒子， 要实现粒子数反转，外界泵浦的能量相当强才行,缺陷是,3、四能级系统,1,2,3,4,由于四能级系统中激光下能级不是基态，在室温条件下E2能级很容易以

6、 非辐射跃迁方式回到基态E1上，因此四能级系统很容易实现粒子数反转,2.3.4 光的自激振荡,1、受激辐射和受激吸收的矛盾； 2、受激辐射和自发辐射的矛盾,产生激光需要解决的两个矛盾,1、光学谐振腔,如果介质足够长，即可保证v足够大，以满足,2、振荡条件,影响因素：损耗（反射镜、吸收、衍射、散射等） 阈值条件：产生激光振荡必须满足最低的条件,增益,损耗,同时考虑增益和损耗,激光产生须满足的条件： （1）有合适的介质； （2）有外界激励源； （3）有谐振腔，并且使受激辐射的光在谐振腔内维持振荡，也就是满足阈值条件,2.4 激光器的基本组成与分类,2.4.1 激光器的基本组成,1）激光物质；（2）

7、泵浦源；（3）光学谐振腔,2.4.2 激光工作物质,激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级为实现粒子数反转之必要条件；现有工作介质近千种，可以产生的激光波长从真空紫外到远红外，非常广泛,2.4.3 激光泵浦源,激励源使介质出现粒子数反转。可以是电激励、光激励、热激励、化学激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出,2.4.4 光学谐振腔,前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上

8、两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出,2.4.5 激光器的分类,按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器，光纤激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式 。 按工作方式的不同来分类：连续激光器和脉冲激光器,题外篇,激光器的极限功率,光纤激光器功率限制因素,热破裂,纤芯融化,热透镜效应,光功率损伤,抽运亮度,非线性效应,题外篇,光纤激光器功率限制因素,热破裂,纤芯融化,热透镜效应,光功率损伤,抽运亮度,非线性效