激光原理第讲

激光原理第讲第1页，课件共32页，创作于2023年2月表示运动原子与光传播方向相同表示运动原子与光传播方向反向静止光源原子静止光源原子原子表观中心频率第2页，课件共32页，创作于2023年2月④多普勒加宽线型函数第3页，课件共32页，创作于2023年2月高斯函数第4页，课件共32页，创作于2023年2月2.晶格缺陷加宽定义：晶格缺陷(如位错、空位等晶体不均匀性)将使晶格缺陷部位的晶格场与无缺陷部位的理想晶格场不同，使缺陷部位的激活离子的能级发生位移，导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同，产生非均匀加宽。对应的加宽线型函数很难从理论上求得，需要实验测其谱线宽度。第5页，课件共32页，创作于2023年2月①主要的加宽类型是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒效应引起的非均匀加宽。②气压较高时，主要是由碰撞引起的均匀加宽。气压较低时，主要是由多普勒多普勒效应引起的非均匀加宽。2.固体工作物质主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。3.液体工作物质：主要是由碰撞引起的均匀加宽。五.综合加宽(均匀加宽与非均匀加宽并存)1.气体工作物质第6页，课件共32页，创作于2023年2月4.3典型激光器速率方程一.速率方程组：二.爱因斯坦唯象公式的回顾腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时间变化的微分方程组第7页，课件共32页，创作于2023年2月说明：上述关系建立在能级无限窄，自发辐射是单色的假设基础上。实际上，自发辐射具有一定频谱宽度，因此需做必要的修正。其中：第8页，课件共32页，创作于2023年2月三.考虑谱线加宽后对唯象公式的修正表示在总自发跃迁几率中，分配在频率处单位频带内的自发跃迁几率。在频率处单位频带内的自发辐射功率：其中：第9页，课件共32页，创作于2023年2月在外辐射场作用下的总受激跃迁几率中，分配在频率处单位频带内的受激跃迁几率同理：第10页，课件共32页，创作于2023年2月公式的修正谱线加宽对自发辐射表达式无影响！①第11页，课件共32页，创作于2023年2月积分与辐射场的带宽有关！③②第12页，课件共32页，创作于2023年2月四.两种实际情况的讨论1.原子与连续谱光辐射场的相互作用设：辐射场的带宽：原子谱线的宽度：目标：寻找积分此时有：第13页，课件共32页，创作于2023年2月中的被积函数，只在附近很小范围内才不为零。原子辐射场其中：为连续谱辐射场在原子中心处的单色能量密度连续谱光辐射场第14页，课件共32页，创作于2023年2月与原公式一样！第15页，课件共32页，创作于2023年2月2.原子与准单色辐射场的相互作用对应激光器中的情形此时有：被积函数只在辐射场中心频率附近很窄范围内才不为零。因很小,则有:：中心频率为的准单色光辐射场总能量密度第16页，课件共32页，创作于2023年2月根据函数的性质第17页，课件共32页，创作于2023年2月频率为的单色辐射场作用下受激跃迁几率物理意义:

由于谱线加宽,外来光的频率并不一定要精确等于原子发光的中心频率

才能产生受激跃迁,而是在

附近的一个频率范围内都能产生受激辐射。当偏离中心频率时，跃迁几率急剧下降。同理：第18页，课件共32页，创作于2023年2月五.受激辐射、受激吸收几率的其它表达形式第l个模内的光子数密度其中：工作物质中的光速第19页，课件共32页，创作于2023年2月—发射截面—吸收截面中心频率处值最大均匀加宽工作物质中心频率发射截面非均匀加宽工作物质中心频率发射截面第20页，课件共32页，创作于2023年2月频率为的单色辐射场作用下受激跃迁几率和受激吸收几率第21页，课件共32页，创作于2023年2月腔内光子数总数记为腔内总的模式数分配在频率处单位频带内的自发跃迁几率分配在频率为的一个模式上的自发跃迁几率第22页，课件共32页，创作于2023年2月六.单模振荡速率方程组1.单模：具有一定谐振频率和一定腔内损耗的准单色光(具有极窄的模式频带宽度)2.三能级系统的能级跃迁示意图和跃迁特点W13A31S31S32(热驰豫)A21S21W21W12E3激光上能级泵浦上能级(泵浦下能级)E2(亚稳态)E1(基态)E1(基态)激光下能级跃迁特点①②③第23页，课件共32页，创作于2023年2月3.三能级系统的单模振荡速率方程组:工作物质的总粒子数密度第l个模式的光子寿命典型的三能级系统：红宝石、掺铒光纤。腔内光子数密度注意：光子数方程中忽略了少量自发辐射非相干光子的贡献！第24页，课件共32页，创作于2023年2月又因为：代入方程组得：第25页，课件共32页，创作于2023年2月4.四能级系统的能级跃迁特点和跃迁示意图E3激光上能级(亚稳态)泵浦上能级泵浦下能级E0(基态)E2激光下能级E1W03A30S30S32(热驰豫)A21S21W21W12S10热平衡状态下E1上几乎无粒子！抽空几率S10要大！E2

和E1之间更易实现粒子数反转！第26页，课件共32页，创作于2023年2月5.四能级系统的单模振荡速率方程组典型的四能级系统：He-Ne,Nd:YAG。第27页，课件共32页，创作于2023年2月七.多模振荡速率方程组(只考虑四能级系统)1、多模振荡速率方程组设共有m个模振荡，其中第

l个模的频率、光子数密度、光子寿命分别、、，对每个光模都应建立各自的光子数速率方程，则有：特点：非常复杂。在处理一些不涉及各模差别的问题时，为了使问题简化，可作简化假设。第28页，课件共32页，创作于2023年2月2.简化假设(1)前提:无需考虑模式差别。

(2)简化情况：各模式的损耗及光子寿命相同；线型函数简化为矩形。矩形面积＝原谱线下曲线所围面积第29页，课件共32页，创作于2023年2月中心频率处的发射截面：等效矩形带宽光子数密度总和简化第30页，课件共32页，创作于2023年2月则根据简化模型,四能级多模速率方程变为：令：第31页，课件共32页，创作于2023年2月E3向E2的无辐射跃迁量子效率E2向E1的跃迁的荧光量子效率总量子效率