激光原理与技术总结ppt课件.ppt

第一章,一.激光的特性单色性好 或，和 为中心频率和中心波长。相干性好相干长度，为谱线的波长宽度，为谱线的频率宽度。方向性好高亮度,二.二能级系统的三种跃迁,1.自发辐射 过程描述：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。自发跃迁爱因斯坦系数：为能级u的自发辐射寿命。,过程描述：处于低能态 的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子 并向 能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。受激吸收跃迁几率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为单色辐射场能量密度）,2.受激吸收,过程描述：处于上能级 的原子在频率为 的辐射场作用下，跃迁至低能态 并辐射一个能量为 的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。受激吸收跃迁概率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为单色辐射场能量密度）,3.受激辐射,4.辐射系数之间的关系,（g1和g2分别为能级2和1的简并度）,5.粒子分布规律,在热平衡条件下粒子服从波尔兹曼分布：黑体辐射能量公式：,三.谱线加宽,1.分类,均匀加宽,非均匀加宽,自然加宽,碰撞加宽,多普勒加宽,2.均匀加宽,定义：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，对于均匀加宽，每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，或者说，每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。,线型函数：谱线宽度：,自然加宽,线型函数：谱线宽度：,碰撞加宽,线型函数：气体碰撞加宽的谱线宽度：,3.非均匀加宽,定义:原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献，称为非均匀加宽。,多普勒加宽,线型函数：谱线宽度：或（M:原子质量；MN:原子量）,四、增益系数,增益系数：受激辐射截面积：粒子数之差：,五、速率方程,1.三能级系统（1,2能级产生激光）跃迁图,速率方程,其中：量子效率：2能级粒子寿命：,六、阈值,阈值增益系数：腔内往返一周的光强：,阈值反转粒子数：,连续或长脉冲光泵浦阈值功率：短脉冲光泵浦阈值能量：,p:泵浦频率；V：工作物质体积；：量子效率,七、激光产生条件,a合适的工作物质能实现粒子数反转具有合适的能级结构（亚稳态能级）；b具有外界泵浦（外界激励）c需要激光谐振腔 d起振条件阈值条件G0Gth e稳定振荡条件增益饱和效应,八、典型例题,1.短波长谱线的主要加宽机构是自然加宽，试证明峰值吸收截面。2谐振腔中当每个模式内的平均光子数大于1时，证明其受激辐射跃迁几率大于自发辐射跃迁几率。,1.证明：,峰值吸收截面为而 所以代入可以得到：得证。,受激辐射跃迁几率为 受激辐射跃迁几率与自发辐射跃迁机率之比为,3.红宝石激光器中，Cr3+粒子在E2、E1能级上总的粒子数密度n0=1017/cm3,波长=694.3nm,自发辐射寿命s=310-3s,折射率1.76。又知E2、E1能级粒子数之比为4，仅考虑自然加宽效果,上下能级简并度为1。求解：(1)该激光器自发辐射系数A21；(2)线型峰值；(3)中心频率处小信号增益系数g0；(4)中心频率处饱和增益系数g.,3.（1）（2）（3）,4.红宝石在室温条件下，,，估算 等于多少时红宝石对 的光是透明的。(红宝石，激光上、下能级的统计权重，计算中可不计光的各种损耗。,4.解：,其中（II）式可以改写为代入式(V)得：,由于：所以：,而要使入射光的能量密度等于出射光的能量密度，必须有,为常数，即,(VI)变为：,该式应该对于任意大小 的均成立，所以只有，即 时才可以。这样由上式可得：由于，所以,