《光学》课程教学电子教案 第八章 激光基础(47P).ppt
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1、第8章激光基础,光学 教案,赵建林 编著,普通高等教育“十五”国家级规划教材,高等教育出版社,高等教育出版社,高等教育电子音像出版社,8.1 自发辐射与受激辐射,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,主要内容,8 激光基础,8.1 自发辐射与受激辐射,1.原子数能级及粒子数布居,2.自发辐射、受激辐射和受激吸收,3.爱因斯坦公式,4.粒子数布居反转与光放大,5.能级寿命,主要内容,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,玻尔的量子化原子体系模型:,(8.1-1),吸收或辐射的光子能量与能级差的关系:,光吸收与光辐射过程:能级跃迁过程,8.1 自发辐射与受激辐射,8.1.1 原子能级及粒子
2、数布居,8 激光基础,原子的能量状态取一系列分立值。每一个能量状态称为原子的一个能级,其中最低的能级称为基态,高于基态的能级称为激发态。在热平衡状态下,各能级上的粒子数布居服从一定的统计规律。,(8.1-3),当E2E1时,N2N1。表明在热平衡状态下高能级上的粒子数布居总是小于低能级,且两者的比例取决于体系的温度。一般地,在热平衡状态下,几乎所有的原子都处于最低能态基态。,8.1.1 原子数能级及粒子数布居,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,(8.1-2),两个能级E1与E2上的粒子数布居之比:,在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布律:,T:热平衡温度;Nn:能级E
3、n上的粒子数布居;k:玻耳兹曼常数。,(1)自发辐射,处于高能级上的原子,总是会自发地跃迁到低能级上,伴随辐射出一个频率为n 的光子,称为光的自发辐射。,(8.1-5),(8.1-4),8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收,8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,说明:自发辐射是个随机过程,处于高能级的各个原子随时地、独立地向低能级自发跃迁,所发射的光子形成一个个相位、偏振态和传播方向均彼此无关的波列,因而是非相干的。,自发辐射光子的能量和频率分别满足:,处于低能级上的原子,受到频率为n 的入射光照射时,有可能吸收一个光子的能量而跃迁到相应的高能
4、级上,称为光的受激吸收,且有,(8.1-6),8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,(2)受激吸收,处于E2能级上的原子,在受到频率n 正好满足hn=E2-E1的入射光子的作用时,有可能自所处E2能级跃迁到E1能级,并辐射一个同频率的光子。,说明:与自发辐射不同,受激辐射光子与入射光子具有相同的模式,即 同频率、同相位、同偏振态,因而是相干的。,受激辐射与受激吸收互为逆过程,两者同时发生,同时存在。,8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,(3)受激辐射,自发辐射过程:原子体系单位时间内从能级E2跃迁到能
5、级E1的粒子总数只与E2上的粒子数布居N2成正比,与辐射场无关,即,(8.1-7),受激辐射过程:原子体系单位时间内从始态到终态跃迁的粒子数,除了与始态上的粒子数布居有关外,还与能量等于两能级差的入射光子数密度u(n)(辐射能谱密度)成正比,即,(8.1-8),(8.1-9),A21、B12、B21:爱因斯坦系数,8.1.3 爱因斯坦公式,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,按照爱因斯坦的观点,在热平衡状态下,原子体系在单位时间内受激吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即,(8.1-10),(8.1-11),由玻耳兹曼分布律得:,(8.1-12),(8.1-13),8.1.
6、3 爱因斯坦公式,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,比较两式可得爱因斯坦公式:,(8.1-15),(8.1-16),说明:爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理论基础,8.1.3 爱因斯坦公式,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,由普朗克量子辐射公式可以证明:,(8.1-14),当频率为n 的光波通过具有能级差E2-E1=hn 的介质时,将同时发生受激吸收和受激辐射。按爱因斯坦公式,dt时间内,介质单位体积受激吸收的光子数dN12与受激辐射的光子数dN21之比为,(8.1-17),热平衡状态下:N2N1,dN21dN12。,8.1.4 粒子数布居反转与光放大,8.1 自发辐射与受激辐射
7、,8 激光基础,意义:光波在处于热平衡态的介质中传播时,受激吸收的光子数大于受激辐射的光子数,宏观效果表现为光被介质吸收,能量减小。,说明:粒子数布居反转分布只有在非平衡状态下才能达到,8.1.4 粒子数布居反转与光放大,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,粒子数布居反转:N2N1,dN21dN12。即高能态的粒子数布居大于低能态。,意义:光波在处于粒子数布居反转分布的介质中传播时,介质受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数,宏观效果表现为光放大或光增益。,实现粒子数布居反转分布是产生激光的必要条件,能够造成粒子数布居反转分布的介质称为激光介质或增益介质,能级寿命t:粒子能够在某个能级上停
8、留的平均时间。,由于自发辐射,能级E2上的粒子数N2将随时间减少,在dt内的改变量:,(8.1-18),(8.1-19),意义:E2上粒子数N2的减少量与自发辐射几率系数A21的大小有关,经过t=1/A21时间后,将减少到初始值的1/e。所谓能级寿命实际上就是指在该能级上的粒子数减少到初始值的1/e所经历的时间。,8.1.5 能级寿命,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,说明:若在能级E2以下有若干个低能级,则能级E2的寿命应等于该能级到各个低能级自发辐射几率系数之和的倒数,即,(8.1-20),结论:自发辐射系数越小,自发辐射的过程就越慢,粒子数在该能级的寿命就越长,原子处在该状态就越
9、稳定。,8.1.5 能级寿命,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,亚稳态:寿命特别长的激发态,可达10-31s。因原子的碰撞和外界干扰,能级的实际寿命要比其自然寿命短几个数量级。,1.热平衡状态下的粒子数布居,2.自发辐射、受激辐射和受激吸收的基本概念,3.爱因斯坦公式的意义,4.粒子数反转与光放大条件,5.能级寿命的意义,本节重点,8.1 自发辐射与受激辐射,8 激光基础,8 激光基础,8.2 激光的产生与激光器,主要内容,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,1.激光器的基本结构,2.激光介质中粒子数布居反转的实现,3.增益系数及阈值条件,4.辐射线宽,5.激光的纵模和横模,6.
10、几种典型的激光器,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,8.2.1 激光器的基本结构,实现激光发射的两个必备条件:受激辐射的产生和放大。,激光器:能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。,激光振荡器:具有一个光学谐振腔,由受激辐射产生的光在腔内多次往返而形成持续的激光振荡。,激光放大器:自身不具有光学谐振腔,只能使来自其他激光器输出的激光信号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大。,说明:通常的激光器,一般指激光振荡器,在某些情况下则是指由激光振荡器和放大器组成的组合系统。,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,增益介质 激励源 光学谐振腔,说明:仅有激励源、增益介质和光学谐振腔还
11、不一定能输出激光。只有使受激辐射的增益大于其损耗,才能使受激辐射在谐振腔内来回反射时,强度不断增大,最后输出激光。,激光振荡器的主要组成:,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,增益介质:激光器中产生受激辐射的物质(又称激活介质,可以是气体、液体、固体或半导体等)。,增益介质的作用:激光器的核心放大入射光。,增益介质条件:有一对能够产生激光的能级,并且高能级应有足够长的寿命,使得被激发到该能级上的粒子能滞留较长时间,与低能级之间形成粒子数布居的反转分布。,(1)增益介质,激励源的作用:供给增益介质能量,以使其中处于基态的粒子获得一定能量后被抽运到高能态,形成两个能级上的粒子数布居反转。,8
12、.2.1 激光器的基本结构,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,说明:激励过程常被形象化地称为泵浦或抽运过程。为了不断地得到激光输出,必须不断地“泵浦”增益介质以维持其粒子数布居的反转分布。,常用激励方式:电泵浦、光泵浦、热泵浦、化学泵浦等。,电激励:用气体放电的方法获得具有一定动能的电子,再由其进一步激发介质原子。,光激励:用强光照射增益介质(常用光激励源:脉冲氙灯、脉冲激光器、半导体激光器等)。,(2)激励源,光学谐振腔:装上在增益介质两端的一对反射率很高的反射镜,结构相当于一个法布里-珀罗标准具。其中一个为全反射镜,反射率接近100%;另一个为部分反射镜,反射率约80%左右。,8.
13、2.1 激光器的基本结构,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,(3)光学谐振腔,光学谐振腔的作用:,实现光的正反馈,对输出光束的波长进行选择高度单色性,使输出光束的定向高度方向性,8.2.1 激光器的基本结构,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,当增益介质产生的受激辐射到达两端的反射镜面时,将被再次反射回增益介质,从而继续诱发新的受激辐射。被进一步放大的受激辐射在谐振腔中来回振荡,同时不断地诱发新的受激辐射,使之雪崩似地获得放大,产生强烈的激光,并从部分反射镜一端输出。,工作原理:,二能级系统的不足:,8.2 激光的产生与激光器,8 激光基础,8.2.2 激光介质中粒子数布居反转的
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