激光的产生及特性2

1、第二章第二章 激光的产生及特性激光的产生及特性 激光激光(laser)(laser)是光的受激辐射光放大是光的受激辐射光放大 (Light Amplification by Stimulated (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Emission of Radiation) 的缩写。爱因斯坦的缩写。爱因斯坦 在在19171917年研究黑体辐射时，曾预言受激辐射的年研究黑体辐射时，曾预言受激辐射的 存在，直到存在，直到19601960年，梅曼制成世界上第一台激年，梅曼制成世界上第一台激 光器光器红宝石激光器。证明了

2、爱因斯坦预言红宝石激光器。证明了爱因斯坦预言 的正确性。的正确性。 激光产生的原理激光产生的原理 等同于 能源能源 等同于 放大器放大器 等同于 反馈回路反馈回路 振荡器与激光器振荡器与激光器 激光器的三个主要组成部分激光器的三个主要组成部分 1.1.工作物质：工作物质： 有合适的能级结构有合适的能级结构能实现粒子数反转能实现粒子数反转 2.2.激励能源：激励能源： 使原子激发使原子激发 维持粒子数反转维持粒子数反转 3.3.光学谐振腔光学谐振腔 保证光放大保证光放大 使激光有良好的使激光有良好的方向性和单色性方向性和单色性 谐振腔谐振腔 激光器种类：激光器种类： 固体（如红宝石固体（如红宝石

3、Al2O3:CrAl2O3:Cr，YAG:Nd) YAG:Nd) 液体（如染料激光器）液体（如染料激光器） 气体（如气体（如He-NeHe-Ne，CO2CO2） 半导体（如半导体（如GaAsGaAs、InGaNInGaN） 2 2、按工作方式分：、按工作方式分： 1 1、按工作物质分：、按工作物质分： 连续式连续式 脉冲式脉冲式 3 3、按波长分：、按波长分： 极紫外极紫外可见光可见光红外红外/ /远红外远红外 激光介质由掺杂于固体基质中的金属离子（也激光介质由掺杂于固体基质中的金属离子（也 称激活离子）和基质所组成。工作物质的物理、称激活离子）和基质所组成。工作物质的物理、 化学性能主要取决

4、于化学性能主要取决于基质材料基质材料，它的光谱特性，它的光谱特性 主要由主要由激活离子的能级结构决定激活离子的能级结构决定，但受基质材，但受基质材 料的影响，光谱特性将有所变化，有的甚至变料的影响，光谱特性将有所变化，有的甚至变 化很大。化很大。 固体激光器固体激光器(Solid-state lasers) 可作激活离子的元素有四大类：过渡族金属可作激活离子的元素有四大类：过渡族金属 离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离 子、锕系离子，覆盖的波长子、锕系离子，覆盖的波长275-275-30223022nmnm。 工作物质：掺杂离子的绝缘晶体或玻璃工作物质

5、：掺杂离子的绝缘晶体或玻璃 工作物质工作物质 基质材料分为玻璃和晶体两大类基质材料分为玻璃和晶体两大类 常用的基质玻璃有：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、常用的基质玻璃有：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、 磷酸盐玻璃、氟化物玻璃磷酸盐玻璃、氟化物玻璃 晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体 典型代表有红宝石、典型代表有红宝石、NdNd3+ 3+： ：YAGYAG、钕玻璃激光器、钕玻璃激光器 特点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐特点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐 用等优点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研用等优点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研 等方面等方面 固体激

6、光器激励方式：光泵浦。固体激光器激励方式：光泵浦。 波长范围：紫外到红外波长范围：紫外到红外 最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸 气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等，气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等， 日光泵适用于空间技术中的激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。 用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是90年年 代激光发展的主要方向之一，兼容了二者的优代激光发展的主要方向之一，兼容了二者的优 点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑 固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔固体激

7、光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔 和冷却滤光系统四个主要部分组成和冷却滤光系统四个主要部分组成 有连续工作和脉冲工作方式有连续工作和脉冲工作方式 红宝石激光器红宝石激光器(Ruby Laser)(Ruby Laser) n1n2 氙灯泵浦 n1减少， n2增加 自发辐射（荧光 ） 氙灯光强继续增加到 n2n1 粒子数反转分布 光放大器 光强继续增加到某一阈值 激光 满足振荡条件 红宝石是掺有少量红宝石是掺有少量CrCr3+ 3+离子的 离子的AlAl2 2O O3 3单晶。单晶。E E1 1为为 基态，基态，E E2 2为亚稳态，为亚稳态，E E3 3是大量能级组成的能带。是大量能级组成的能

8、带。 光放大在光放大在E E2 2和和E E1 1间产生，相应波长为间产生，相应波长为694.3nm694.3nm。 三能级系统。三能级系统。 梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器 固体激光器固体激光器 气体激光器气体激光器: :以气体或金属蒸气为工作物质以气体或金属蒸气为工作物质 产生激光作用的物质所采用的物质典型代表 原子 未电离的气体原子氦、氖、氩、氪、 氙、氧、溴、碘、 氮、硫、碳、铯、 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 He-Ne laser 未电离的气体分子CO2、N2、O2、CO、 N2O和水蒸气等 CO2和N2分子 准分 子 工作气体在常态下为原子，当 激发时，可暂时形成寿命很短

9、 的分子，称为准分子 Ar2*、Xe2*、XeF *、 KrF*、 ArF *、 XeCl*、 XeBr*、 XeQ*、 KrQ* 等 KrF*、ArF * 离子利用电离后气体离子产生激光 作用 惰性气体离子和金 属蒸气离子 氩离子（Ar+） 、氦 镉（He-Cd）离子激 光器 气体激光器的工作物质种类多，又能采用多 种激励方式，所以覆盖的波段宽，从紫外到 远红外波。是目前种类最多、激励方式最多 样化、激光波长分布区域最宽、应用最广泛 的一类激光器。 激励方式激励方式: :气体放电和电子束气体放电和电子束激励激励 特点：输出光束的质量好特点：输出光束的质量好 波长范围波长范围 He-Ne激光器

10、的结构形式很多，但都是由激光管和激 光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组 成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地 方，放电管通常由毛细管和贮气室构成。 He-Ne(He-Ne(氦氦- -氖氖) )激光器激光器 氦一氖气体激光器：原子激光器类，氦一氖气体激光器：原子激光器类，19611961年实现激光年实现激光 输出，多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管输出，多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管 长度有关；输出激光方向性好，（发散角达长度有关；输出激光方向性好，（发散角达1mrad1mrad以以 下），单色性好（下），单色性好（可小于可小于20Hz20Hz），输出功

11、率和波），输出功率和波 长能控制得很稳定长能控制得很稳定 气体激光器气体激光器 液体激光器液体激光器 工作物质：有机染料溶液工作物质：有机染料溶液 波长范围：紫外到近红外波长范围：紫外到近红外 激励方式：光泵浦激励方式：光泵浦 特点特点 输出激光波长可调谐且调谐范围广；输出激光波长可调谐且调谐范围广； 激光脉冲宽度窄；激光脉冲宽度窄； 激光输出功率大；激光输出功率大； 激光工作物质均匀性好；激光工作物质均匀性好； 液体激光器液体激光器 半导体激光器半导体激光器 工作物质：半导体材料工作物质：半导体材料 波长范围：紫外到极远红外波长范围：紫外到极远红外 激励方式：激励方式：PNPN结注入电流激励

12、；电子束激励；结注入电流激励；电子束激励； 光激励碰撞电离激励光激励碰撞电离激励 特点：超小型；高效率；结构简单；价格便宜；特点：超小型；高效率；结构简单；价格便宜； 高速工作高速工作 半导体激光器半导体激光器 其它激光器其它激光器 光纤激光器 化学激光器 气动激光器 色心激光器 自由电子激光器 单原子激光器 X射线激光器 激光焊接激光焊接 高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 5500 o oC C的高温）把的高温）把 大块硬质材料焊接在一起大块硬质材料焊接在一起 2.1 2.1 光的自发辐射与受激辐射光的自发辐射与受激辐射 光的受激辐射概念的产生光的受激辐射概念的产生 普朗克普朗克

13、19001900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设； 波尔波尔19131913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设； 爱因斯坦爱因斯坦19171917年，提出受激辐射概念。年，提出受激辐射概念。 黑体辐射规律黑体辐射规律 H H原子光谱实验规律原子光谱实验规律 1. 1. 黑体辐射的黑体辐射的PlanckPlanck公式：公式： 任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。 黑体：黑体：能够完全吸收任何波能够完全吸收任何波 长的电磁辐射的物体。长的电磁辐射的物体。 热平衡状态：热平衡状态： 黑体吸收的辐射能量黑体

14、吸收的辐射能量 = = 黑体发出的辐射能量黑体发出的辐射能量 空腔辐射体空腔辐射体 单色能量密度单色能量密度 dE u dVd 在单位体积在单位体积V V内，频率处于内，频率处于v v处的单位频率间隔处的单位频率间隔 内的电磁辐射能量内的电磁辐射能量E E PlanckPlanck辐射能量量子化假说辐射能量量子化假说 热平衡状态下，黑体辐射分配热平衡状态下，黑体辐射分配 到腔内每个模式上的平均能量到腔内每个模式上的平均能量 1 h KT h E e 腔内单位体积中频率处于腔内单位体积中频率处于 附附 近单位频率间隔内的光波模式数近单位频率间隔内的光波模式数 2 3 8M m Vdc 黑体辐射黑

15、体辐射PlanckPlanck公式：公式： 3 3 81 1 h KT h umE c e 2.2.跃迁：跃迁： 跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。 吸收跃迁：吸收跃迁： 低低 吸收能量吸收能量 高高 12 hEE 辐射跃迁：辐射跃迁： 高高 辐射能量辐射能量 低低 （自发辐射）（自发辐射） 3.3.受激辐射受激辐射 爱因斯坦爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑发现，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。衡，还必须存在受激

16、辐射。 能级的简并度能级的简并度 同一能级可以对应若干能态，与一个能级相对同一能级可以对应若干能态，与一个能级相对 应的能态数应的能态数 定义定义 光与物质相互作用光与物质相互作用 一）自发辐射一）自发辐射 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 定义定义 在在没有外界电磁场辐射作用没有外界电磁场辐射作用的情的情 况下，处于况下，处于高能态高能态E E2 2的一个原子的一个原子 可以可以自发自发向向低能态低能态E E1 1跃迁，与此跃迁，与此 同时发射一个能量为同时发射一个能量为E E2 2-E-E1 1hvhv的的 光子光子 2 E 1 E 发光前发光前 h 发光后发光后 21 hEE -由原子自发跃迁所

17、发射光子由原子自发跃迁所发射光子 自发跃迁几率自发跃迁几率A A21 21 定义定义 单位时间内单位时间内，处于，处于高能态高能态的的N N2 2个孤立原子（原个孤立原子（原 子间的相互作用忽略不计）中发生自发跃迁的子间的相互作用忽略不计）中发生自发跃迁的 原子数密度原子数密度dNdN21 21/dt /dt与总粒子数密度与总粒子数密度N N2 2的比值的比值 定义表达式定义表达式 21 212 ()/ sp dN AN dt 自发跃迁的过程只与原子本身性质有关，与自发跃迁的过程只与原子本身性质有关，与外界辐射关外界辐射关， A A21 21只决定于原子本身的性质， 只决定于原子本身的性质，

18、自发跃迁几率自发跃迁几率A A21 21也称为 也称为爱因斯坦爱因斯坦A A系数系数。 21 2221 dN dNN A dt 21 22020 21 ( )exp() A t t N tN eN 减少率减少率dNdN2 2 21 21 1 A 式中式中 N N20 20是 是t=0t=0时的时的N N2 2值值 21 是是N N20 20个原子在能态 个原子在能态E E2 2上的平均停留时间，上的平均停留时间， 也叫原子在能态也叫原子在能态E E2 2上的平均寿命，上的平均寿命， 数值上它等于自发跃迁几率倒数数值上它等于自发跃迁几率倒数 二）受激辐射二）受激辐射 受激辐射跃迁受激辐射跃迁 定

19、义定义 当当存在外界电磁辐射存在外界电磁辐射时，原子系统时，原子系统 与外界电磁辐射相互作用，处于与外界电磁辐射相互作用，处于高高 能态能态E E2 2的原子在频率为的原子在频率为 的辐的辐 射的作用下，可受激地从能态射的作用下，可受激地从能态E E2 2向向 能态能态E E1 1跃迁，并发射一个能量为跃迁，并发射一个能量为 光子光子 21 EE v h hv 2 E 1 E 发光前发光前 h h 发光后发光后 h 21 hEE -由受激辐射跃迁发射光子由受激辐射跃迁发射光子 受激辐射跃迁几率受激辐射跃迁几率W W21 21 定义定义 单位时间内单位时间内，处于，处于高能态高能态的的N N2

20、2个孤立原子（原子个孤立原子（原子 间的相互作用忽略不计）中发生受激跃迁的原子间的相互作用忽略不计）中发生受激跃迁的原子 数密度数密度dNdN21 21/dt /dt与总的粒子数密度与总的粒子数密度N N2 2的比值的比值 定义表达式定义表达式 21 212 / dN WN dt 受激辐射除与受激辐射除与原子性质原子性质有关，还与有关，还与辐射场能密度辐射场能密度( )U v成正比成正比 2121 ( )WB U v 比例系数比例系数B B21 21称为受激辐射跃迁爱因斯坦系数或 称为受激辐射跃迁爱因斯坦系数或爱因斯坦爱因斯坦B B系数系数，它只与，它只与原子性质原子性质有关。有关。 三）受激

21、吸收三）受激吸收-由受激辐射的逆过程由受激辐射的逆过程 受激吸收跃迁受激吸收跃迁 定义定义 当当存在外界电磁辐射存在外界电磁辐射时，原子系统与时，原子系统与 外界电磁辐射相互作用，处于外界电磁辐射相互作用，处于低能态低能态 E E1 1的原子在频率为的原子在频率为 的辐射的作用的辐射的作用 下，可受激地从能态下，可受激地从能态E E1 1向能态向能态E E2 2跃迁，跃迁， 并发射一个能量为并发射一个能量为 光子光子 21 EE v h hv 2 E 1 E 吸收前吸收前 h 吸收后吸收后 21 hEE 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率： 1212 ( )WB U v 12 B ：受激吸收跃

22、迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数 只与原子本身性质有关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与原子本身性质和辐射场能量密度有关 受激吸收跃迁率受激吸收跃迁率W W12 12 12 121 / dN WN dt 112221 3 21 3 21 8 g Bg B Ahv Bc 波尔兹曼公式波尔兹曼公式 普郎克公式普郎克公式 平衡状态：自发辐射受激辐射受激吸收 212112 212212121 212 212121 () ( )( ) ( ) dNdNdN dtdtdt A NB U v NB U v N A N U v N BN B 自发受激吸收 （）（） 即： 四）爱

23、因斯坦三系数之间的关系四）爱因斯坦三系数之间的关系 21 11 22 EE KT Ng e Ng 波尔条件3 0 3 3 21121 3 21212 48 ( )( , ) 1 (1)(1) 8 v KT hvhv KTKT hv U vV v T cc e BB gc ee vAB g 普朗克公式 3 21 3 21 121122 212211 8 1 g hv KT Ahv Bc B gBg B gB 要上式两端任何之间均成立，必须系数相等 四）爱因斯坦三系数之间的关系四）爱因斯坦三系数之间的关系 自发辐射和受激辐射的不同点自发辐射和受激辐射的不同点 自发辐射跃迁与受激辐射跃迁过程是两个不

24、同的物理过程，自发辐射跃迁与受激辐射跃迁过程是两个不同的物理过程， 它们所产生的它们所产生的辐射性质辐射性质也不同，对于也不同，对于自发辐射自发辐射来说，它是来说，它是原子在原子在 不受外界辐射场的影响不受外界辐射场的影响下产生的，而单个原子的自发辐射的下产生的，而单个原子的自发辐射的相位相位 是随机是随机的，因此的，因此大量的自发辐射是不相干的大量的自发辐射是不相干的。而与自发辐射不同。而与自发辐射不同 的是，受激辐射是在的是，受激辐射是在外界辐射场的作用下产生外界辐射场的作用下产生的，受激辐射光子的，受激辐射光子 与激励光子具有与激励光子具有相同的频率、相位、波矢和偏振状态相同的频率、相位

25、、波矢和偏振状态，也就是说，也就是说 受受激辐射光子与入射光子激辐射光子与入射光子属于属于同一态的光子同一态的光子，因此受激辐射是，因此受激辐射是相相 干干的。的。 受受激辐射光子与入射光子激辐射光子与入射光子属于属于同一态的光子同一态的光子 受激辐射光子与激励光子具有受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、相位、相同的频率、相位、 波矢和偏振状态波矢和偏振状态 2.2 2.2 介质的增益和增益饱和介质的增益和增益饱和 一）介质增益一）介质增益 波尔兹曼分布定律波尔兹曼分布定律 21 21 hv KT NN e gg N N1 1和和N N2 2分别是能级分别是能级E E1 1和和E E2 2上

26、的粒子数，上的粒子数， g g1 1、g g2 2分别是能分别是能 级级E E1 1和和E E2 2的简并度，的简并度，k k是波耳兹曼常数。是波耳兹曼常数。 21 21 () NN gg 粒子数正常分布 吸收介质吸收介质 21 21 () NN gg 粒子数反常分布 原子集居数反转分布原子集居数反转分布 负温度状态负温度状态 增益介质增益介质 处于粒子数反转分布状态的物质处于粒子数反转分布状态的物质 在光频区在光频区hvkThvkT 2 21 1 2 21 1 g nn g g nn g 正常分布正常分布 受激吸收受激吸收 占主导占主导 光衰减，吸收光衰减，吸收 反转分布反转分布 受激辐射受

27、激辐射 占主导占主导 光放大光放大 有增益有增益 ( ) dI G v Idz ( ) ( , )( ,0) G v z I v zI ve 增益系数增益系数G G 描述光强经过单位距离后描述光强经过单位距离后 的增长率的增长率 介质的增益介质的增益 定义定义： 当某一频率为当某一频率为 的光束的光束 通过激活介质时，光通量通过激活介质时，光通量 获得放大，即光强越强，意获得放大，即光强越强，意 味着单位时间内从亚稳态向味着单位时间内从亚稳态向 下跃迁的粒子数就越多，从下跃迁的粒子数就越多，从 而导致反转程度减弱，从而而导致反转程度减弱，从而 使增益系数使增益系数 变小变小 v （A） I v

28、 （A） （） 0 ( ,)G v v 增益系数不仅与集居数反转分布有关，增益系数不仅与集居数反转分布有关， 还与光通量有关还与光通量有关 二）增益饱和效应二）增益饱和效应 2.3 光的受激放大和振荡光的受激放大和振荡 大量能带组成的能级 E3 E2 E1 亚稳态（寿命较长） 基态 VG E4 E1 E2 E3 VG 泵 浦 Vp 三能级模型三能级模型 四能级模型四能级模型 泵 浦 Vp 大量能带组成的能级 E3 E2 E1 亚稳态（寿命较长） 基态 VG 三能级模型三能级模型 受激辐射受激辐射 热平衡状态热平衡状态 N1N2 氙氙 灯灯 激激 励励 红红 宝宝 石石 棒棒 能带能带E3 受受

29、 激激 吸吸 收收 跃跃 迁迁 N1减少减少 亚稳态亚稳态E2 E3寿命短寿命短 S32 N2N1 泵浦泵浦 集居数反转集居数反转 E2上粒子到上粒子到E1 产生激光产生激光 （c） E2为亚稳态，寿命较长，新增加的粒子能够为亚稳态，寿命较长，新增加的粒子能够 保持在保持在E2上。上。 （b b）E E3 3态寿命极短，抽运到态寿命极短，抽运到E E3 3上的粒子很快通过非上的粒子很快通过非 辐受辐受驰豫驰豫跃迁到跃迁到 E E2 2上上, , 减少的能量变成热运动能量。减少的能量变成热运动能量。 （a a）随着）随着 V(p)V(p)迅速增加，迅速增加，E E1 1上的粒子被快速抽运上的粒子

30、被快速抽运 到到E E3 3上，上，N N1 1迅速减少。迅速减少。 （1 1）三能级中，）三能级中，E E1 1 为基态，为基态，E E2 2 和和E E3 3为激发态，为激发态， E E2 2又是亚稳态。又是亚稳态。 （2 2）抽运过程）抽运过程 （d d）N N1 1 不断减少，新不断减少，新N N3 3不断无辐射跃迁到不断无辐射跃迁到E E2 2上，上，N N3 3 始终少于始终少于N N1 1，N N1 1不断被抽运。不断被抽运。 （g g）工作物质最初的几个自发辐射光子也能引起）工作物质最初的几个自发辐射光子也能引起 受激辐射（自激式）。受激辐射（自激式）。 （e e）N N2 2

31、不断增多，加之原有的粒子，不断增多，加之原有的粒子，E E2 2是亚稳态，是亚稳态， 能够实现能够实现 。 21 NN （f f）当有）当有 的外来光激发时，便会发生的外来光激发时，便会发生 受激辐射（外激式）。受激辐射（外激式）。 21 hEE （4）该系统效率不高的原因：）该系统效率不高的原因： 抽运前粒子几乎全部处于基态抽运前粒子几乎全部处于基态E1 ，只有，只有 激励能源很强、抽运很快。才能实激励能源很强、抽运很快。才能实 现现 。 21 NN （3）梅曼（）梅曼（T. H. Maiman）于）于1960年制年制 成的第一台红宝石激光器，就是一个三能成的第一台红宝石激光器，就是一个三能

32、 级系统激光器。级系统激光器。 E1、E2和E3是Cr3+离子在Al2O3晶格中具有的能级示意图，其 中E1是基态，E2是具有较长寿命的能级，称为亚稳态，E3是由 大量能级组成的能带。在热平衡状态下，处在基态E1上的集居 数N1比处在亚稳态E2上的集居数N2大得多，即N1N2，（实际 上N2约为0）。当氙灯激励红宝石棒时，大量基态Cr3+离子受激 吸收跃迁到达能带E3内，因而E1上的粒子数N1减少，但Cr3+离 子在E3上的寿命很短，它们很快通过非辐射驰豫过程（用S表示） 跃迁到寿命较长的亚稳态E2上，其上就积累了大量的粒子，即 N2不断增多，并在此寿命时间内暂时使N2偏离热平衡的波耳兹、 曼

33、分布，此过程称为氙灯的抽运（泵浦）过程。只有当氙灯的 光强强到一定程度时，有可能暂时N2 N1 ，即达到集居数反 转状态，这样， E2上粒子跃迁回到E1时，便产生受激辐射，从 而产生激光。 E4 E1 E2 E3 VG 泵 浦 Vp 产生激光产生激光 S21 E1上的粒子数上的粒子数 Vp 受激吸受激吸 收收 能带能带E4 寿命短寿命短 非辐射驰豫非辐射驰豫 S43 亚稳态亚稳态E3 寿命较长 VG 能带能带E2 寿命短寿命短 非辐射驰豫非辐射驰豫 能带能带E1 N2=0 四能级模型四能级模型 （4）E4向向E3上非辐射驰豫跃迁愈快，上非辐射驰豫跃迁愈快，E2向向E1上过上过 渡愈快，工作效率

34、愈高。渡愈快，工作效率愈高。 （1）四能级系统中，）四能级系统中，E1为基态，为基态，E3 、E2和和E4为激为激 发态，发态，E3又是亚稳态。又是亚稳态。 （2）在亚稳态）在亚稳态E3和激发态和激发态E2之间实现粒子数反转。之间实现粒子数反转。 （5）HeNe激光器是四能级系统。激光器是四能级系统。 （3）E2上粒子数本来很少，只要上粒子数本来很少，只要E3上粒子稍有上粒子稍有 增加，就会达到增加，就会达到 。 32 NN 比如：比如：HeNe激光器激光器：632.8nm和和1152.3nm 氩离子激光器氩离子激光器：辐射的波长数更多，：辐射的波长数更多， 最强的是：最强的是：488.0nm和和514.5nm。 二、三或四能级图仅是简化模型激光工作物质的实二、三或四能级图仅是简化模型激光工作物质的实 际能级系统比较复杂，可以发射多种波长的激光。际能级系统比较复杂，可以发射多种波长的激光。 5 5）实现粒子数布居反转的条件：）实现粒子数布居反转的条件： 工作物质存在亚稳态，有激励源供给能量。工作物质存在亚稳态，有激励源供给能量。 产生激光的能级是产生激光的能级是激发态激发态E E3 3和和E E2 2能级，在泵浦的作用能级，在泵浦的作用 使大量基态使大量基态E E1