第2章激光产生的基本原理幻灯片

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

2、意半径的轨道上运动 。,丹麦物理学家 玻尔Bohr,Niels,1,+Ze,-e,f,F,2,由玻尔假设：电子的角动量mVr只能等于h/2的整数倍，即,表明：电子轨道半径是不连续的，与量子数n的平方成正比。,3,2.1.2 原子的能级,势能:,动能:,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。,4,2.1.3 原子发光的机理,5,2.2 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（自发辐射跃迁概率）,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

3、必须存在受激辐射。,6,2.2.2 受激辐射,特点：,B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数 外来光场的单色能量密度,1、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。 2、受激辐射光子与入射光子具有相同的频率、传播方向、相位、偏振。,W21为受激辐射跃迁概率,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,只与原子本身性质有关,7,2.2.3 受激吸收,B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数 外来光场的单色能量密度,W12受激吸收跃迁速率：,与原子本身性质和辐射场能量密度有,8,2.2.4 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

4、从玻耳兹曼（Boltzman）定律。,请看书上的例题,各能级上的粒子数密度（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,9,在热平衡的条件下:,或,由黑体辐射的普朗克公式：,10,2.3 激光产生的条件,2.3.1 受激辐射光放大,1hv 2hv 4hv ,逐级放大从而产生激光,11,受激辐射与受激吸收,12,（1）受激辐射与受激吸收,如果f1=f2,由于E2E1,所以n2n1,热平衡状态下受激吸收占优势!,13,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

5、辐射占优势!,3,14,2.3.2 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TE1,所以n2n1,由于B21=B12,所以n1W12大于n2W21,激光产生或激光放大的必要条件：粒子数反转,15,2.3.3 激活粒子的能级系统,稳定,只有W时，n2n1。无法实现粒子数反转分布！,1. 二能级系统,16,2、三能级系统,1,具有亚稳态的工作物质，能实现粒子数反转。,如：,17,三能级系统中，实现粒子数反转的

6、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,18,3、四能级系统,E3 激光上能级,E2 激光下能级,19,2.3.4 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：,?,20,引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射,2.3.4 光的自激振荡,21,2020/6/24,设想有长度足够大的激活介质：,1. 光学谐振腔,22,2020/6/24,23,2020/6/24,24,2020/6/24,（3）光学谐振腔的作用：,1. 增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主

7、导；,2. 维持光振荡，输出稳定激光束；,3. 对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；,4. 选择激光频率。,25,2020/6/24,2、振荡条件（阈值条件）,影响因素：损耗（反射镜透射、吸收、衍射、散射、折射等） 阈值条件：产生激光振荡必须满足一定的条件。,激活物质：处于集居数反转状态的物质。,26,（3） 激光器中光强变化规律,27,28,总结：激光产生的条件,（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

8、持振荡。,29,2.4 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）泵浦源；（3）光学谐振腔,30,2.4.2 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,1、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、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。,31,2.4.3 激光泵浦源,激励源使介质出现粒子数反转。可以

9、是光激励、电激励、化学激励、核能激励等等。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。,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,32,2.4.4 光学谐振腔,有了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。,33,2.4.5 激光