《现代光学基础教学课件》激光原理课件.ppt
第 2 章 激光产生的基本原理,光的受激辐射基本概念,普朗克1900年，辐射量子化假设；,波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；,爱因斯坦1917年，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。,激光原理.第一章,受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规律时首先提出。,黑体辐射研究过程中：,任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。,黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。,空腔辐射体,受激辐射概念的提出,受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃迁。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，还必须存在受激辐射。,光和物质三种作用过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射,原子的跃迁,跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。,2.1 原子发光机理,1.自发辐射,原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2 自动跃迁至低能级E1，辐射光子,称为自发辐射。随机过程，非相干光。,自发辐射光子频率：,白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定相同，不是相干光。,2.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射,A21,只与原子本身性质有关，与辐射场无关,A21:自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数）,E2能级粒子数密度变化：,2.受激吸收,当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级-光吸收。,光子,W12与原子本身性质和辐射场能量密度有关,受激吸收跃迁几率：,E1 能级粒子数密度变化：,B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。,3.受激辐射,当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子会在外来光子的诱发下向低能级跃，并发出与外来光子一样特征的光子（全同光子）-受激辐射。,全同光子：频率、相位、偏振方向和传播方向均相同的光子。相干光子,B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子本身性质有关。,W21与原子本身性质和辐射场能量密度有关。,当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程,受激辐射跃迁几率：,E2能级粒子数密度变化：,三、爱因斯坦三系数 的相互关系,激光原理.第一章,结论：,1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。,2.热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。,激光原理.第一章,2.3 激光产生的条件,2.3.1 受激辐射光放大,激光原理.第一章,在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子-光放大，激光。,对受激辐射光放大的影响因素：,自发辐射,受激吸收,受激吸收对受激辐射光放大的影响,受激吸收占优势，不能产生光放大,集居/粒子数正常分布:,受激辐射光放大的必要条件：集居数/粒子数反转分布（n2n1）,自发辐射对受激辐射光放大的影响,例：T=300K时，=0.6m,自发辐射光对激光:噪声,此时，光源是非相干光源。,例2：=1m时,欲使R=1,则：T=50 000K,可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非相干光源。,激光原理.第一章,2.3.2 集居数/粒子数反转光放大必要条件,受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。,光放大/激光产生的必要条件：粒子数反转分布,2.3.3 激活粒子的能级系统,一般采用三、四能级系统,激活介质：实现粒子数反转分布的介质（分子、原子、离子）。,1、为什么不能用二能级系统,二能级系统不能实现粒子数反转分布,至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。,亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定得多。,激光原理.第一章,在亚稳态上有可能积累较多的粒子，与下能级之间实现粒子数反转分布，达到光放大的目的。,原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留10-3s,为什么用三、四能级系统？,2、三能级系统,激光原理.第一章,3、四能级系统,氦氖气体激光器,引起受激辐射的最初激励光子可以来自自发辐射。,激光原理.第一章,、光的自激振荡,设想有长度足够大的激活介质：,激光原理.第一章,光学谐振腔,由两块相互平行，与工作介质轴线垂直的平面或球面反射镜构成。,有效延长激活介质长度,激光原理.第一章,光的反馈振荡：,光经反射镜来回反射，称为光学反馈振荡。光在激活介质不断地反射增强现象称为自激振荡。获得强激光,2.4 激光器的基本组成与分类,激光工作物质、泵浦源、谐振腔,（1）激光器的基本组成,1、激光工作物质,激光工作物质：固体、气体或液体,实现粒子数反转分布方法：,2.泵浦源,泵浦的几种基本方式：,气体放电；,原子间碰撞；,光泵等等。,泵浦源：电能、光能、化学能、核能等。,3、光学谐振腔,2.对振荡光束的控制作用：,光束特性的控制:方向、频率的选择及控制空间分布等。,1）产生和维持激光振荡，输出稳定激光；,光学谐振腔的作用：,（2）激光器的分类,1.根据工作物质,自由电子激光器,光纤激光器,2.按工作方式分,激光器的分类,连续激光器、脉冲激光器,3.按激光技术分,调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器,
