激光原理-激光器基本结构.ppt

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1、激光原理,本节课主要内容,能级跃迁自发辐射受激辐射受激吸收,粒子数反转三能级和四能级激光器基本结构纵模横模,按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。,激发态,基态,6,辐射跃迁和非辐射跃迁,1.跃迁:粒子由一个能级过渡到另一能级的过程,2.辐射跃迁:粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则),发射跃迁:粒子发射一光子=hv=E2E1而由高能级跃迁至低能级;,吸收跃迁:粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能级跃迁至高能级.,7,3.无辐射跃迁

2、:既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程),4.激发态的平均寿命:粒子在激发态停留时间的平均值的 典型 值:10-710-9秒,5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射 跃迁,则该态的平均寿命会很长(10-3秒),称亚稳能级,相应的态为亚稳态。,一般，能级寿命 10-8 10-9 S 如H原子 2p态 0.1610-8 S 3p态 0.5410-8S 亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级(20.55eV)10-4 S(19.77eV)10-6 S,高能级,低能级,热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布,光与物质相互作用的三种

3、过程,爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程：自发辐射受激辐射受激吸收,设 N1、N2 单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。,单位体积中单位时间内，从E2 E1自发辐射 的原子数：,自发辐射过程(spontaneous radiation),写成等式,21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。,各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光。,受激辐射(stimulated radiation),全同光子,设（、）温度为时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。,则单位体积中单位时间内，从E E

4、受激辐射的原子数：,写成等式,B21受激辐射系数,W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同-有光的放大作用。,受激辐射过程,上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：,受激吸收过程（stimulated absorption）,写成等式,B12 吸收系数,令 W12=12(、T),W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。,A21、B21、B12 称为爱因斯坦系数。,结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出,爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激

5、光奠定了理论基础。,f2B21=f1 B12,上述关系如何推导得出呢？A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件推导得出。,思考：物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？,提示：光学中谱的概念，,20,Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱,粒子数反转(population inversion),从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。,必须 N2 N1这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转。,因 B21=B12,W21=W12,产生激光必须,视频,24,实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用,粒子数反转状态,怎样才能实现粒子数反转呢？,1）提供足够的外

6、界激励能量；,2）原子在激发态多“呆”一会；,1)实现粒子数反转分布的条件,电激励,化学激励,热激励,光激励,(A)激励(又称泵浦),光的光增益,(B)合适的能级结构（合适亚稳态的存在）,光的光增益,27,三能级系统 当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E2 于E1 间实现粒子数反转。,光的光增益,28,红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。,采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。,光的光增益,29,四能级系统 比三能级系统容易实现粒子数反转分布。,光的光增益,30,四能级系统 当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3 于E2

7、 间实现粒子数反转。,光的光增益,亚稳态能级,N,E,0,31,Nd：YAG激光器是四能级系统,32,氦氖气体激光器是四能级系统,光的光增益,共振转移,33,产生激光的能级系统,（1）三能系统,（2）四能级系统,34,(1)要有适当的激光工作物质(2)要有外界激励源(3)要有激光谐振腔,激光形成的基本条件,激光形成的基本条件或激光器的基本结构,产生激光的条件,35,激光器的组成,工作物质,激光器,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,36,激光工作物质,全反射镜,半反射镜,工作原理：,out,光放大原理,37,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,光学谐振腔的作用,光学谐振腔,38,振荡模式 是指

8、能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。,q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。,1.纵模 能引起振荡的频率关系2.横模 光场在横向不同的稳定分布。,光学谐振腔,39,小结：产生激光的必要条件,.激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）,.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）,.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,40,(1)红宝石激光器,激光束,550.0 nm,694.3 nm,激励能源，工作物质，谐振腔,激光器的结构,激光器基本上由三部分份组成：,41,(2)氦氖激光器,氦氖原子能级,内腔式,Thank you!,