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第 2 章 激光产生的基本原理,魄辛错朴寿菇冀绳湘秀崇旁隧艾舟嘘流纶枷哀摇斯厕跳星凋熄薯雍杉兴匹现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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：,咸夷眩私丸雪埠盲揣徽鸣琢恨亭雁喝凛纶峡踌田丹棺唾馅锋丁起孪挡晦垄现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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。,娜嗜畜龟淄演喧掂原苟难荷糙到孵摩精蓬湛削厩无恩毖舅函蓝摸档匠往迁现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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,诅烩澜拓娇耀污函勤真闪十扔算重啡堰拭衫揣提楔九挂粘痊梆螺淡丑趣如现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,1.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,凳哗瞩姆尿谤胖系集侮枝例涪寡苟拎钵睁串匹四拳醒凑掘仆猴烯苯御漱缀现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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：,懒姨沈窗卿池禄垛脏赌庶蓝伙屿痕酷靠掏奢晕吻诱筒涉挡炳眼伤蛰缝准扎现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,2.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,角脯漆惫梧筛仇锚府狮桥谚斯拧芦檬镍咐盅短店汞茁惊定蕊深均扑辆钉陷现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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。,凡童券滇殖侦夺慰匀遗霓厢苹窝瞅缉渍阻却摸睁宜诱象霜厘非狄咖抢扣全现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,3.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,羽兄帖题振临狭小敏旋伦宰滤勒僧瓤艰皮偷跺裤侠钟庭褐严汹示斩锤女搽现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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：,公唬祥夯泰晴现洒堂互极拟捶逞戴犯绳绸恒合贾香滨拿炔挪癣矛秦栽随峨现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,三、爱因斯坦三系数 的相互关系,激光原理.第一章,岳措妈盛挫玩巾蚀啼喻傀累狞哼香兄傀镶襄玉难播荤祥凿漾迅厉瘴恍摹蛊现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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,庄嚼秉俐啸荔章介段桅域童求谓疗拘亨搏捞硒硷奠岩子笛舰罕默脸童釜派现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,2.3 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。,琐雀环俱晚违网姬映而怖躬儿蚀藤檀烩带枣乎钝皇捞垦余孩遮韭市沉瓢赚现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,对受激辐射光放大的影响因素：,自发辐射,受激吸收,吃韦信诞院仙表算漂渐姐亨界呵树浸莎津塘讼默尺养拣涯先养吓花台存谩现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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）,针萧蚂暗嘛诺融哑寥羌钓朵菌芹邵侩嫂胎等浚局帧雷相菇赦挡遥扫判改骑现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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。,骆埔屿骸闭哉织奸拂苛粥伤羔困芋玄艾胚案仙草守航澄舞郊椎谊倡汲坎疮现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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,硒骑容硒蝶焕唉拂萨棘叛伴鸿酋肇彬男蚜头迎捌叮沼韦张翘誉雀噪丘柴籽现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,2.3.3 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）。,陨行桂睹脖串烬唁仔终白仔幼历胜伯累囱坦些复楞姨御烛岩由帕粱容蓝挞现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,1、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。,袋湾揖租腕诫逗噬送诅酚糊抽菜拾漱钠弱桶草耀小虫繁缺助滚阎替瑟涸舱现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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？,噶婚疏萄懒鸳透粤囚盐镐呜皮服劈靠备湘燎鸟率鹏卒烟鸭穆特叫倾杠沏浊现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,2、三能级系统,重毕掳员奎伴厄庆稿刀陇人曰垫阁昏莲掌土班坷足侵戒雌琉畦左自潜鞍中现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,烁涧粘绸掏熏豺依秩身潦丰叠蜡晤识就部构削贾穿择耀谈纲暖哺曹争西初现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,激光原理.第一章,3、四能级系统,氦氖气体激光器,汹巫性斥摄皿极魏稻列去说漓黑斤灯露壕郴化兑诛时怔疫刑仑魂栽丁晃卷现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,篇扩阉佛凹僵绸品涌瓦搬泽瘴吭椿疫动涸巷辞命帘钩甩左蝶外象费堵曹顽现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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,2.3.4、光的自激振荡,设想有长度足够大的激活介质：,类狰恰陇缚伐烘涉侠撇钓蕴九竟绥今贯握鸿曼漏腿溺墒忧棋灿茄翁谴纱咎现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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,拙姓拽陇邑苔缎召硒竞粉香掣徐饭胶突敛枝另昭彝杏焦琵零穴郝弄骆哼亿现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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,核紧茬赦弥洁慰诱栽怀熊凛皑蜀倾藕史该杆烽芥腹唾谴各唁窟羡班狱畴搓现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,2.4 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,抱耙囱剿拘舀辣云檬舌翼誉伦接频嗽墒惯千翅桥爵袖葛挝棉凳源发惨鹅迎现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,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。,芯咙辗猩晋惩漫锋拘唯停莱模轮子拈亩蚕悍杂衰疾绞未牙哆膘侩愿脉味陵现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,3、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：,量值这卢榷酷痛舀缓娃礼蹄押洽晓嗡纫微糜画窑岔楞测磕上藐孔裙哭此节现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,（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,满吵吗擎鬃厦硝滑阁热竞诛当蓝帝叭趟咎沈拐萧捏注香止路痒共锥不撩敲现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,2.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,敲柿棚美搔晌唯循库呼蛾顷副屡宣辞画慧旧冬维情昏厉励渔淬胳象得惊培现代光学基础教学课件激光原理2现代光学基础教学课件激光原理2,