激光产生的原理.ppt

1、a，1，第一章激光的产生原理是，物质的发光过程是自然段，任何物质的发光都需要经过两个过程。 1 .吸收过程物质受到光能、热能、电能等外来能量的作用时，原子中的电子吸收外来能量(光子等)，从低轨道向高轨道移动，或者处于低能量状态的粒子吸收外来能量，向高能量状态移动。a、2、吸收过程由于外来光子的激发而产生，故称为“激发吸收”。 激发吸收的特征是需要外来光子(或其他方式的能量)的“刺激”，而且，该外来光子能量是h=ENe0(n=1、2、3 )式，E0粒子吸收外界能量之前的能量水平，en吸收后的能量水平，h=6.66 自发辐射过程被激发到高能量水平的粒子不稳定，在高能量水平只能停留极短的时间，约1亿

2、分之一秒，马上向低能量水平转变。 这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发进行的，所以被称为“自发转变”。 粒子在自发转变过程中，释放原本吸收的能量，释放的能量数值为E=ENE0。 释放能量转换为热能，传递给其他粒子的迁移称为“无辐射迁移”，当然不产生光子。 a、4、另一种是以光的形式放出能量(称为自发放射迁移)，即向外部放射光子，产生光。 自发辐射过程发射的光子的频率由迁移前后两个能级之间的能量差决定： a、5、两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程发射的光子的频率越高。 像琴一样，用力拉紧弦的话，琴声的频率会变高，反而会变低。 自发辐射极为常见，普通光源的发光包括激发吸收和自发辐射过程。

3、前一个过程是粒子通过吸收外界的能量被激发为高能状态；后一个过程是高能状态的粒子自发地转变为低能状态，将光子放射到云同步。 从a、6、外部不断地供给能量，粒子不断地从激发被自发辐射吸收，再次被激发吸收，自发辐射就这样循环下去。 每次循环都会放出光子，这样就会产生光。 以电灯为例，一接通电源，电流就流向灯泡中的发光物质钨丝灯，钨丝灯被灼热，钨原子向高能量状态转变，之后，自发地向低能量状态转变，将光子向云同步放射，灯泡变亮。 a、7、a、8、自发辐射的特征是物质(发光体)中的各个粒子独立地被激发为高能状态和低能状态，相互没有关系，因此各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅有发射光子的

4、时间，而且波长也短由于自发发射光是由这种杂乱的光子组成，我们常见的光是朝向四面八方的杂散光，它包括许多波长(即，多种颜色)。 太阳、灯光、火等普通光属于自发辐射光。 激发的激光粒子从高能量状态向低能量状态转变不仅是自发的方法，处于高能量状态的粒子不受外在因素的影响可以自发地向低能量状态转变，在外在因素的诱发和刺激下也可以向低能量状态转变后者的过程被称为“激发放射性射线”过程，因为它是“激发”的。 a、1.0、激光过程的特点是，外来光子必须有“刺激”，而且外来光子的频率正好符合下式。 在该外来光子的刺激下，处于高能级EN的粒子向低能级E0迁移，向云同步发射频率、传播方向、振动方向与外来光子完全相

5、同的光子。a、1.1，简而言之，输入是外来光子，输出是与外来光子性质相同的两个光子，输出的两个光子中，一个是外来光子本身，另一个是在激发发射过程中发射的，也就是被外来光子“激发”的缘故。 光子激发粒子产生激发放射性射线，得到两个完全相同的光子。 这就是光的“放大”。 如果这两个光子进一步激发两个粒子产生激发放射性射线，则可以得到完全相同的四个光子，4、8、1、6这一链锁反应，完全相同的光子数越来越多，可以看到激发放射性射线的过程，即光放大的过程。 在激光照射过程中产生，放大的光是激光。 a、1.2、激光与普通光有相同点和不同点。 同一点是，两种光本质上没有区别，是电磁波，是粒子流，具有粒子的二

6、像性。 不同的是，寻常光是杂乱的混合光，而激光是频率、方向相位极为一致的“纯粹”光。 根据光学理论，两个光干扰作用的条件可以是相同频率、相同的振荡方向、相同的相位或不变的相位差。 显然，被激发的激光是相干光，而寻常光不是相干光。 a、1.3、三、思考和练习1、物质发光需要经过哪两个过程？ 1、受激射过程中外来光子的频率应该满足什么关系式？光的“放大”是什么？ 激光与普通光有什么区别？a、1.4、第二章激光三大结构能产生激光的系统称为激光。 上述介绍表明，自发放射性射线显然不是激光，而只是激光产生的理论基础。 为了激发激光，创造必要的物质条件的手段也是必要的。 a、1.5、一、激发源粒子转移的动

7、力1、粒子数的正常分布激光发生在被激发的放射性射线，被激发的放射性射线要求粒子处于高能量状态。 但是，在通常情况下，物质中的大部分粒子处于稳定的状态(稳定态)，在正常的热平衡条件下，粒子有自发地从高能量水平转移到低能量水平的倾向，因此低能量水平下的电子数比高能量水平下的电子数多得多。 a、1.6、能量状态越高粒子的数量越少，此时粒子的分布规律就像金字塔一样，下方越大，上方越尖，越高粒子的分布规律就越少。 也就是说，处于低能量水平的粒子数在热平衡中总是比处于高能量水平的粒子数多，因此激发吸收占优势，被称为“粒子数正常分布”。 a、1.7，在这种情况下，实验中很难观察到各个粒子是被激发吸收还是被激

8、发照射，因此实际上只能观察到两个过程的宏命令结果。 因此，只能看到优势粒子系的吸收现象，但观察不到被辐射。 一般的光源，例如电灯、高压水银灯等。 也就是说，“粒子数正常分布”的情况下，无论你怎样“激动”都不会发出激光。 a、1.8、2、粒子数反转，为了产生激发放射性射线，必须改变粒子的通常的分布状态，进行“粒子大搬家”，将处于低能量状态的粒子“搬运”为高能量状态，必须使高能量状态的粒子数大于低能量状态的粒子数因为这与正常粒子数分布相反，所以称为粒子数逆分布。 这种状态的激光理论有被称为“粒子数反转”和“集合居数反转”的理论，粒子数反转的粒子系不稳定，此时如果适当的诱发光子被刺激，就会发生激光。

9、 由此可知，实现粒子数的逆转是实现激光产生的前提条件。 a、1.9、3、“携带粒子”的工具泵，为了将处于低能量状态的粒子输送到高能量状态，外力必须通过工具来实现。 这个过程就像把水位低的河水和井泉水汲上水塔的贮水池，必须有一盏茶功率的泵。 同样，为了实现粒子数的逆转，首先需要消耗一定的能量，将大量的粒子从低能量水平“运送”到高能量水平，这个过程在激光理论上被称为泵和激励。其作用原理与泵的抽水相似，因此能够将大量粒子从低能量状态吸引到高能量状态的激发装置称为“光泵”。 a、2.0、4、门限和激励方式“光泵”只是说明粒子数逆转时借用的形象的说法。 其实粒子是甜居低能量状态，而且很顽固，不像水一样是

10、用泵轻易搬运的。 即使用力将一部分转移到高能量状态，也会马上自发地恢复到低能量状态。 是怎么破吗，需要增加能量使其不断碰撞。 也就是说，激励不仅快，而且有力。 激励作用通常通过消耗一定的能量来实现，产生被激励的辐射所需的最小激励能量被定义为激光器的阈值(即阈值的意思)。 阈值是描述激光器整体性能的重要参数。 a、2.1、二、工作介质的激光内因是大干世界，各种物质由分子、原子、电子等微观粒子构成。 虽说有强烈的激励，在物质中粒子数会反转而产生激光，但激励只是外部条件，激光的产生依赖于合适的工作物质，也称为激光的工作介质，这就是激光产生的内因。 a、2.2，前面已经以二能级系统为例进行了讨论，也就

11、是说工作物质只有高、低两个能级。 实际上，当前实现的激光发射都是三能级或四能级系统，下图是红宝石激光器铬络离子(Cr3 )的简化能级图，其为典型的三能级系统。 图中所示的E1、E2、E3中，E2为准稳定级。a、2.3、a、2.4、外部激发作用将粒子从E1吸引到E3，被E3吸引的粒子立即无辐射迁移地向E2移动。 E3的寿命只有10-9秒，也就是1.0亿分之一秒，粒子不能长时间停留，所以这个过程很快。 但是，E2的准稳定性寿命较长，约10-3秒，即千分之一秒，允许粒子滞留。 随着E1上的粒子不断被E3吸入，立即向E2移动，E2允许粒子长时间停留，因此从E2向E1的自发辐射转变的概率小，因此粒子积蓄

12、在E2上，实现E2对E1之间的粒子数反转。 a、2.5、该系统能够对诱发光子能量hV=E2E1的光进行光放大。 很明显，E2能级就像水塔的贮水池，可以储藏大量的粒子，只有准稳定能级具有这种能力，但并非所有的发光物质都具有准稳定结构。 这是因为有些物质能“激发”激光，而有些物质不能“激发”。 因此，具备准稳态能级结构至少是对产生激光的工作物质的要求。 a、2.6、三、谐振腔激光振荡放大器有适当的工作物质，有实现粒子数反转的激发源，这次“激发”激光还不行。 在实验中，发现了这样能产生被激发的放射性射线，但是非常微弱，完全不能供人们使用的激光。 这是很自然的事情，一想到为了解决这个问题而扩大的方法，

13、就出现了光学谐振腔。 出现了a、2.7、a、2.8还有光学谐振腔。 即，是使用两个对置镜来使扩大后的光在镜之间反射，使通过镜之间的介质反复扩大的所谓种子文件背扩大。 两个镜子可以是平面的也可以是球面的。 其中一个是反射率为100的全反射镜，另一个是部分反射镜。 例如，如果反射率是9.5，则5束光透过并被应用于人，从而重构光学谐振腔。 因为侧面是敞开的，所以也被称为“开放腔”。 将激光介质置于两反射镜之间，构成激光震荡器。 a、2.9、外界的强光激励放置在两镜之间的激光介质时，实现了准稳态级与稳态级之间粒子数的反转。 处于亚稳定能级的粒子自发地向低能级迁移时自发地放射光子，但是这个放射是不规则的，向四面八方放射，其中的一部分对激发状态的粒子诱发激发放射。由a、3.0、图可知，凡非空洞轴方向的自发放射也可以对激发状态的粒子诱发光放大，但介质体积受到限制，空洞侧面开放，不久就会射出空洞外。 因此，产生激光的作用不大。 只有沿着空洞轴向的自发辐射才起作用。 每次碰到镜面，都会被反射，沿着原道折返，再次通过介质激发激发光放大到激发状态的粒子。 由于激光照射光在反射镜之间往返，因此反复利用介质，激光照射光在反射镜的轴方向上变强。 其一部分从一部分的反射镜端射出，这是激光，a，3.