第2章陈鹤鸣激光原理PPT格式课件下载.ppt

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静电势能：

电子动能：

原子的总能量：

上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。

2.1.2原子的能级原子的能级角动量量子化：

角动量量子化：

电子轨道半径：

跃迁：

原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。

低低吸收光能量吸收光能量高高辐射跃迁：

辐射跃迁：

高高辐射光能量辐射光能量低低量子跃迁是量子力学的最基本概念量子跃迁是量子力学的最基本概念2.1.3原子发光的机理原子发光的机理非辐射跃迁：

非辐射跃迁：

在不同能级间跃迁并不伴随光的吸收或辐射。

受激辐射概念的提出：

爱因斯坦爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和发现，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。

在受激辐射。

辐射的量子理论辐射的量子理论2.22.2自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收第二章第二章激光产生的基本原理激光产生的基本原理2.2.1自发辐射自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场无关。

只与原子本身性质有关，与辐射场无关。

自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：

原子在能级原子在能级的平均寿命（荧光寿命）的平均寿命（荧光寿命）如果存在向多个下能级的跃迁，则荧光寿命缩短如果存在向多个下能级的跃迁，则荧光寿命缩短如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。

如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。

2.2.2受激吸收受激吸收：

受激吸收跃迁爱因斯坦系数：

受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关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：

受激吸收跃迁几率：

2.2.3受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足时，使原子中处于时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。

高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。

受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），具有相同频率、相位、波矢、偏振。

受激辐射的光是相干光。

具有相同频率、相位、波矢、偏振。

受激辐射跃迁几率：

与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关：

受激辐射跃迁爱因斯坦系数：

受激辐射跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关2.2.4爱因斯坦三系数爱因斯坦三系数的相互关系的相互关系各能级上的原子数密度各能级上的原子数密度（集居数密度（集居数密度）玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布：

能级能级和和的简并的简并度，度，或称统计权重或称统计权重热平衡状态：

热平衡状态：

辐射率辐射率吸收率吸收率（辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程.与与Planck公式比较公式比较1.其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。

其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。

2.热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。

常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。

3.自发辐射的出现随自发辐射的出现随而增大，故波长越短，自发辐射而增大，故波长越短，自发辐射几率越大。

微波以受激辐射为主，普通光源以自发辐射为主。

几率越大。

2.3.1受激辐射光放大受激辐射光放大第二章第二章激光产生的基本原理激光产生的基本原理2.32.3激光产生的条件激光产生的条件受激辐射与受激吸收的矛盾受激辐射与受激吸收的矛盾粒子数正常分布：

粒子数正常分布：

受激辐射：

光子数光子数受激吸收：

受激吸收：

光子数光子数光强减弱光强减弱例：

例：

T=300K时，时，在热平衡情况下，光波辐射以自发辐射为主。

在热平衡情况下，光波辐射以自发辐射为主。

另：

受激辐射与自发辐射关系：

1.集居数正常分布集居数正常分布2.3.2集居数反转集居数反转克服受激辐射和受激吸收的矛盾克服受激辐射和受激吸收的矛盾第二章第二章激光产生的基本原理激光产生的基本原理受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。

受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。

受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。

2.粒子数反转分布（集居数反转）粒子数反转分布（集居数反转）激光产生的必要条件：

激光产生的必要条件：

粒子数反转粒子数反转泵浦（泵浦（Pumping）：

）：

（抽运、激励）（抽运、激励）外界向物质提供能量外界向物质提供能量激活物质：

激活物质：

处于集居数反转状态的物质。

另外，激辐射大大超过自发辐射，使输出为相干光。

通过中间环节通过中间环节2.3.3.激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统激光工作物质激光工作物质激活粒子：

激活粒子：

能够形成粒子数反转的发光粒子。

（可以是原子、分子、离子、准分子）（可以是原子、分子、离子、准分子）基质：

基质：

为激活粒子提供寄存场所的材料。

1.二能级系统二能级系统二能级系统不能实现粒子数反转分布二能级系统不能实现粒子数反转分布2.三能级系统三能级系统具有亚稳态的工作物质，才能实现粒子数反转。

具有亚稳态的工作物质，才能实现粒子数反转。

亚稳态：

不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长）不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长）如：

如：

受激吸收受激吸收泵浦泵浦无辐射跃迁无辐射跃迁放出能量放出能量形成粒子数反转形成粒子数反转受激辐射受激辐射发出激光发出激光EnergyLaserRadiationNFasttransitionAbs.另一种形式：

另一种形式：

发射激光发射激光3.四能级系统四能级系统（a）Nd:

YAG激光器激光器EnergyLaserRadiationNFasttransitionAbsorptionFasttransition（b）氦氖激光器氦氖激光器四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。

甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。

引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射引起受激辐射的最初激励光子来自自发辐射受激辐射受激辐射自发辐射自发辐射相干光子相干光子噪声光子噪声光子竞争状态竞争状态受激辐射为主：

受激辐射为主：

2.3.4光的自激振荡光的自激振荡克服受激辐射和自发辐射的矛盾克服受激辐射和自发辐射的矛盾1.光学谐振腔光学谐振腔设想有长度足够大的激活介质：

设想有长度足够大的激活介质：

自发辐射为主自发辐射为主受激辐射为主受激辐射为主不断增大不断增大

（1）光学谐振腔的构成：

）光学谐振腔的构成：

工作物质工作物质两块反射镜：

两块反射镜：

相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面

（2）谐振腔对光束的方向选择性：

）谐振腔对光束的方向选择性：

平行于轴线：

放大加强放大加强偏离轴向：

偏离轴向：

逸出腔外逸出腔外激光具有高度方向性激光具有高度方向性1.增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；

增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；

2.维持光振荡，输出稳定激光束；

维持光振荡，输出稳定激光束；

3.对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；

对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；

4.选择激光频率。

选择激光频率。

（3）光学谐振腔的作用：

）光学谐振腔的作用：

2.振荡条件振荡条件

（1）增益系数增益系数增益系数：

增益系数：

光通过单位长度激活物质后光强增加的百分比。

描述光放大作用的大小描述光放大作用的大小进一步讨论可知，增益系数还与光的频率有关。

进一步讨论可知，增益系数还与光的频率有关。

（2）损耗系数损耗系数光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。

光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。

（3）激光器中光强变化规律激光器中光强变化规律损耗因素：

衍射、散射、透射、吸损耗因素：

衍射、散射、透射、吸收等收等（4）振荡条件（阈值条件）振荡条件（阈值条件）激光器实现振荡所需要的最低条件激光器实现振荡所需要的最低条件总结：

激光产生的条件总结：

激光产生的条件第二章第二章激光产生的基本原理激光产生的基本原理

（1）有提供放大作用的）有提供放大作用的增益介质增益介质作为激光工作物质，其激作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。

级结构。

（2）有外界）有外界激励源激励源，使激光上、下能级之间产生集居数使激光上、下能级之间产生集居数反转；

反转；

（3）有激光）有激光谐振腔谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。

内维持振荡。

必要条件：

粒子数反转，谐振腔必要条件：

粒子数反转，谐振腔充分条件：

阈值条件，增益饱和充分条件：

阈值条件，增益饱和第二章第二章激光产生的基本原理激光产生的基本原理2.42.4激光器的基本组成与分类激光器的基本组成与分类通常激光器都是由三部分组成：

通常激光器都是由三部分组成：

激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔2.4.12.4.1激光器的基本组成与分类激光器的基本组成与分类2.4.2激光工作物质激光工作物质用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益介质。

体系，有时也称为激光增益介质。

2.4.3泵浦源泵浦源作用：

作用：

对激光工作物质进行激励，将激活粒子对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。

运到高能级，以实现粒子数反转。

气体激光器气体放电激励示意图气体激光器气体放电激励示意图对对激激光光工工作作物物质质的的要要求求：

尽尽可可能能在在其其工工作作粒粒子子的的特特定定能能级级间间实实现现较较大大程程度度的的粒粒子子数数反反转转；

使使这这种种反反转转在在整整个个激激光光发发射射作用过程中尽可能有效地保持下去。

作用过程中尽可能有效地保持下去