第2章激光产生的基本原理

1、第第2章章 激光产生的基本原理激光产生的基本原理2.1 原子发光的原理原子发光的原理2.1.1 原子的结构原子的结构玻尔理论，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：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

2、不连续的，因此电子运动的轨道也可能是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运动。rVmrZef22024+Ze-efF2024rZefrVmF2Ff 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2hnmVr rVmrZef220242hnmVr 2202meZhnrn(9.1095340.000047)1031kg(6.6261760.000036)1034 J2.1.2 原子的能级原子的能级rZeEp024rZemVEk022821势能势能:动能动能:总能量总能量:22042202kPh8emZn1r8ZeEEE2.1.3 原子发光的机理原子发光的机理基态基态(E0)激发态激

3、发态(En) (E0)hv0hvhEEvn1辐射跃迁辐射跃迁辐射跃迁-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自发辐射、受激辐射和受激吸收2.2.1 自发辐射自发辐射E1E2E1E2hv=E2-E1dtdnnndtdnAsp222212111 tAentn21202211As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自发辐射产生的光都是非相干的2.2.2 受激辐射受激辐射E1E2hv=E2-E1E1E22hv=2(E2-E1)特点：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。dt

4、dnn1n1dtdnW222212121vBW2121B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数2.2.3 受激吸收受激吸收E1E2hv=E2-E1E1E2dtdnnndtdnWst211121211vBW1212B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数A21 B21 B122.2.4 三个爱因斯坦系数之间的关系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。TkEiibiefnTkEEbeffnn121212请看书上的例题请看书上的例题12nn1光场与物质相互作用应该使物质处于温度为光场与物质相互作用应该使物质处于温度为T的热平衡状态的热平衡状

5、态3321212121218chvBABfBf在热平衡的条件下:ststspdtdndtdndtdn122121vvBnBnAn121212212或vVBABnn12212112vTkhvvBeffABb12122121由黑体辐射的普朗克公式：11833Tkhvvbechv212Tkhv121212vBfeBfAfb2.3 激光产生的条件激光产生的条件2.3.1 受激辐射光放大受激辐射光放大1hv 2hv 4hv 由于受激辐射产生的光子都是同态光子，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逐级放大从而产生激

6、光（1）受激辐射与受激吸收）受激辐射与受激吸收TkEEbeffnn121212如果f1=f2,由于E2E1,所以n2n1由于B21=B12,所以n1W12大于n2W21受激吸收占优势受激吸收占优势!产生激光需要解决的两个矛盾：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；、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。、受激辐射和自发辐射的矛盾。（2）受激辐射与自发辐射）受激辐射与自发辐射118321212121TkhvvvbehvcABAWR当T=300K时，R10-35自发辐射占优势自发辐射占优势!这两个矛盾这两个矛盾可否不解决可否不解决2.3.2 集居数反转集居数反

7、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：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TE1,所以n2n1由于B21=B12,所以n1W12大于n2W212.3.3 激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统1、二能级系统、二能级系统WAWnn211212nn 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WWWBB21122112212212AnnnWdtdn02dtdn稳定

8、只有只有W时，时，n2n1。无法实现粒子数反转分布！。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、三能级系统12nn 2231三能级系统中，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、四能级系统123423nn 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 光的自激振荡光的自激振荡1、受激辐射和受激吸收的矛盾；、受激辐射和受激吸收的

9、矛盾；2、受激辐射和自发辐射的矛盾。、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：产生激光需要解决的两个矛盾：?1、光学谐振腔212121ABWv?如果介质足够长，即可保证如果介质足够长，即可保证v足够大，以满足：足够大，以满足：2121ABv118321212121TkhvvvbehvcABAWR2、振荡条件影响因素：影响因素：损耗（反射镜、吸收、衍射、散射等）阈值条件：阈值条件：产生激光振荡必须满足最低的条件。 zIdzzdIG1 zIdzzdIa1 dzzIaGzdI增益增益:损耗损耗:同时考虑增益和损耗同时考虑增益和损耗: 000IeIzIzG0G激光产生须满足的条件：激光产

10、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激光器的基本组成与分类2.4.1 激光器的基本组成激光器的基本组成（1）激光物质；（2）泵浦源；（3）光学谐振腔2.4.2 激光工作物质激光工作物质 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

11、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所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，在激光器两端装上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。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 激光器的分类激光器的分类 按工作介质的不同来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