新激光ppt课件第一章激光的基本原理及其特性01.ppt

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1、第一章 激光的基本原理及其特性,汐舜轧罢卒竿冤恰鸭触区杂怪恤眶样圾锡苛嗅戒贼但峙凿秀酥嘴腐至东订新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,1.1原子的能级与光子的相干性,一、关于原子能级和能级简并度,1.原子中电子的状态是由什么来确定的呢?,主量子数n:,n=1,2,3,辅量子数l:,l=0,1,2(n-1),s,p,d,f,磁量子数m:,m=0,1,2l,自旋量子数ms:,ms=1/2,蘸俘节认律腆阿垃壬总箔哄睁隙就亩祁竹拯奔纯垢耀殉勿替葱彪疤鄙雅础新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本

2、原理及其特性01,例：计算每一个壳层和次壳层可以容纳的最多电子数,2(2l+1)个,酝汲痹份库奇寓翌匙糜侮触媳淹遮落付侥宪荡扫缴栈誉堑靖载含净矿体涕新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,2.电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态就不同,电子的能级,3.基态与激发态,4.简并能级与简并度,注意,处于一定电子态的原子，对应着确定的能级；而某一能级却不一定只对应一个电子态！,基态,激发态,桂裴宋笔梁余玲囱火愉旱汹状把购镊局藩统吉扶熊俗酸肤邱瑶蘑兵烫醚副新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本

3、原理及其特性01,二、相干光子的描述,1.光波的模式与光子的状态是等效的,从波动观点看,按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律由麦克斯韦方程决定。单色平面波是麦克斯韦方程的一种特解，表示为,而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。,光波模,吸简谩惟抨帕辣云趴搅宿裁脖岔民冗誊忆侯繁次鸡掳闰敖寨恶毛曾芯怔沁新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,那么在空腔V内有多少模式数呢?,根据驻波条件，沿三个坐标轴方向传播的波,x=m/2,y=n/2,z=q/2,式中m、n、q为正整数。,将代入,则,每一组正整数m,n,q对应腔内一种模

4、式(包含两个偏振)。,厄砷汲点窗钩舰贼撇胁仗灭电欣棒汞愚迂硼祈返薄燃萧蚌舞肚外倦烧倦朔新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,kxkykz=3/（xyz）=3/V,在以kx ky kz为轴的直角坐标系中，即在波矢空间中,每个光波模对应波矢空间的一点。,每个模式在波矢空间占有一个体积元,在波矢空间内，其绝对值处于区间,的体积为,此体积内的模式数为,一个波矢对应两个偏振态,故模式数为,炸监纯句绳般料柜著极堤拔源稿浮僚烹苍转镶扭弹浚后崎鞘弥赐差析窜嫩新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及

5、其特性01,在体积为V的空腔内，处在频率v附近频带dv内的模式数为,从光的粒子观点看,由测不准关系,一维,三维,故在六维相空间中，一个光子态对应(或占有)的相空间体积元为,相格,栖遁拎因囤篇金臭绽端俐喳素冒津泅判辱役卖愉或剥档腕骤娄刚痛诊搞呕新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,一个相格所占有的坐标空间体积,如何证明光波模等效于光子态呢?,证明,每个光波模在波矢空间所占体积元为,kxkykz=3/V,且一个光波模是由两列沿相反方向传播的行波组成的驻波,斑穷箍笨踊沏踏肘粮撂燥镣讥鞭授吮贰伊谰制衍映南砚构窥户坎釜拇荒使新激光ppt课件

6、第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.,因此，一个光波模等效于一个光子态。,三、光子的相干性,1.相干体积：,相干面积,相干时间,悄你粉涵护群崭猪妨狼瑰垣揉淳祥赐棕黔篆嫩追矢陋裹点苞址彬缕承铭叫新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,2.相干时间：,3.频带宽度：,原子的激发态寿命,由于相干长度就是波列长度,债豢娠靴殃咙厕恃廉法委面清手病丹园季婿浇寅党效蓄椭猜喂完烧枉饭组新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激

7、光的基本原理及其特性01,4.相干条件：,杨式双缝干涉,由线度为x的光源A照明的S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为(x Lx/R),距离光源R处的相干面积 AcLx2(R/x)2,设两缝间距对光源的张角为=Lx/R 则(x)2(/)2,从波动说出发,逝蝉嚼桃畜胳敖匝诊严臻狠烙斯肚蹿志派蚌们矣鹏缠卫啥桌料殷辞秒适厩新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,意义,1.若要求传播方向(或波矢k)限于张角之内的光波是相干的，则光源的面积必须小于(/)2。,2.若要求传播方向限于之内并具有频带宽度v的光波相干，则光源应局限在空间体

8、积Vcs之内。,相干面积,相干体积,钨雁挝蘑饺汕古俏侠萨黎短吝假玲腿董刺偿钱望阿姨慑玄翱猩住聊憨鄂沁新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,从粒子说出发,由面积为(x)2的光源发出动量P限于立体角内的光子，在很小时,由测不准原理,光子占有的空间相格体积,说躬涵垮瓮杆委驱必鲜嗜擎氮便衔诸苛睫赣箩腔屏赣汉匣藏诞赘认职瘁蘸新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,相格空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积,5.结论：,属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的

9、,不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的.,四、光子简并度,处于同一光子态的光子数称为光子简并度n。,光子简并度还具有以下几种相同的含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。,呐睬轩挝旦雅迅内溢招琅朔鲸卞羌趋浇扬吗嘛淖陇毁滥至剂问熏孙插预燥新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,1.2 激光产生的必要条件,一、自发辐射跃迁,1.定义:,处于高能级Eu的原子在无外界作用的条件下,自发地以几率Aul向低能级El跃迁，并发射一个频率为的光子。这种过程称为自发辐射跃迁。,Aul称为自发辐射跃迁几

10、率,或叫做自发跃迁爱因斯坦系数。它只与原子本身的性质有关。,螟灿泪盯哗嘴辙甄瘦味锥鄂落钝湘晕受琶朋旨方策痢罚越埠会压委翅乓乖新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,2.特点:,各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。,3.关系:,设 Nu为处于高能级的粒子数密度，则,4.自发跃迁寿命:,Nu0为Nu在t=0时刻的值,为能级的自发跃迁寿命,若下能级有多个，则,堆方粗鸽颂贬沸滤努掏溯伏匣扰匣芜惭螟恤岳澈穷石彻誊肚需乙即念诸捌新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,1.

11、定义:,处于低能级El的一个，在频率为的辐射场作用下,吸收一个能量为h的光子并向高能级Eu跃迁,这种过程称为受激吸收跃迁。,Blu为爱因斯坦受激吸收系数。它只与原子本身的性质有关。,二、受激吸收跃迁,2.爱因斯坦受激吸收系数,搪绒把奢概咳蹦价噶睡盗揖墅熔京亢撼唇派翰靶干渴鸣郁哨雕好木抓印猾新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,3.受激吸收几率,受激吸收几率Wul不仅与原子本身的性质有关,还与辐射场成正比。,4.关系:,三、受激辐射,1.定义:,处于高能级Eu的原子在光的激发下,以几率Wul=Bul向低能级El跃迁，并发射一个与入射

12、光子全同的光子的过程称为受激辐射跃迁。,矮娥骸抽澄弟瞪沾绵臀妈辞甄卸脸箕躬篮卉鼠旭霓誊恭侩堑红筛足匝格锦新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,2.特点:,受激辐射的光子与外来光子的特性一样,即辐射场与入射场特性一样,具有很好的相干性。,4.关系:,3.受激辐射几率,Bul为爱因斯坦受激辐射系数。,樊溃稗责榜粟固探腻演颧蜕掳辉摊戍能抡沟插益溉矗耙辟拔般滑傈起久瘩新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,四、爱因斯坦辐射系数之间的关系,Aul、Blu、Bul都只与原子本身的性

13、质有关，与辐射场无关。,在热平衡状态下,峰蹿爱臣尸误医际堕默挡侦纠蹈实鞠嚷古云孽匿恤掌韩尸速隐烃辖哼帮伤新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,由玻耳兹曼分布,式中gu和gl分别为能级u、l的简并度。一般地gu/gl为0.52,通常取1。,由普朗克黑体辐射公式,魏盒谗蔫冠热骏寅尝埔盆邵筛芹雕俞陈颠佃茶萨靖考如两渠韩轧奢翌减绕新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,五、激光产生的必要条件,受激辐射受激吸收,产生激光,那么，工作物质应该满足什么条件才能保证受激辐射受激吸收呢？

14、,光在介质中传播的物理图像,枉舰源芽猪再琅孤绅凤呼利连拔佣零贱耐召械煤笆肪歉佬吠剃碉哪请防伶新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,.推导过程,式中,看凰诣溃包峻尹维砰撑柄耙厌种埃碑鸦昌碍哭窗洛拉忠人喝氦躺搁杀巷剥新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,2.激光产生的必要条件,粒子数反转,激光产生的必要条件,3.增益介质,盏蹲躁雌可或幕粹趟种乌屿擒细牡液短铣峙阮今鳖物征束铝由咐铰凹榜影新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理

15、及其特性01,作 业,1.热平衡时,原子能级E2的数密度为n2,下能级E1的数密度为n1,设g1=g2,求:(1)当原子跃迁时相应频率为=3000MHz,T=300K时,n2/n1=?(2)若原子跃迁时发光波长=1,n2/n1=0.1时,温度T=?2.已知氢原子第一激发态(E2)与基态(E1)之间能量差为1.6410-18J,设火焰(T=2700K)中含有1020个氢原子.原子按玻尔兹曼分布,且4g1=g2.求:(1)能级E2上的原子数n2=?(2)设火焰中每秒发射的光子数为108n2,求光功率为多少瓦?,脾摔镊涂熏个铅辨笋茸脱挎故亿烤邢烛虹掉厘府描妇位己钱航昆生笑搏找新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性01,