文档介绍：8. Lasers 8. Lasers 可调谐激光在光谱领域应用广泛,很多可调谐可调谐激光在光谱领域应用广泛,很多可调谐激光是以固定波长激光泵浦的。激光是以固定波长激光泵浦的。 Basic Principles Basic Principles 1960 1960 年第一台激光器诞生。年第一台激光器诞生。受激发射和受激吸收两个过程,哪个过程受激发射和受激吸收两个过程,哪个过程主要只与两个能级上的布居数有关。一般主要只与两个能级上的布居数有关。一般情况下,系统处于热平衡状态,低能级的情况下,系统处于热平衡状态,低能级的布居数远大于高能级,光子一般是被吸收。布居数远大于高能级,光子一般是被吸收。为了使得受激发射过程更可能,需要使得为了使得受激发射过程更可能,需要使得上能级的布居数更多。受激发射的光子与上能级的布居数更多。受激发射的光子与入射光子频率相同,相位相同,传播方向入射光子频率相同,相位相同,传播方向相同,称为相同,称为相干相干。。粒子数反转是受激辐射光放大的先决条件。粒子数反转是受激辐射光放大的先决条件。 Light Light Laser: Laser: amplification by stimulated emission of radiation amplification by stimulated emission of radiation Microwave Microwave Maser: Maser: 建立激光系统的关键在于实现粒子数反转。自发辐射的光子不是相干的, 建立激光系统的关键在于实现粒子数反转。自发辐射的光子不是相干的, 并且会因此减少粒子数反转。并且会因此减少粒子数反转。氨分子微波激射器:氨气中分子会处于两种状态,一种能量较高,一种氨分子微波激射器:氨气中分子会处于两种状态,一种能量较高,一种较低,其间能量差对应较低,其间能量差对应。。通过一个非均匀电场将具有较高能量的氨分子聚焦到一个与能级差共振通过一个非均匀电场将具有较高能量的氨分子聚焦到一个与能级差共振的腔内,低能分子偏转掉。则在腔内产生粒子数反转。这时引入一个弱的腔内,低能分子偏转掉。则在腔内产生粒子数反转。这时引入一个弱的能量匹配的微波信号,会产生激发辐射,从而信号被防大。的能量匹配的微波信号,会产生激发辐射,从而信号被防大。如果有足够多的上能级分子,腔内自发辐射产生的噪音信号也可能引起如果有足够多的上能级分子,腔内自发辐射产生的噪音信号也可能引起自激振荡。自激振荡。相比而言,在微波波段实现光放大比较容易,而在光波段实现就相对困相比而言,在微波波段实现光放大比较容易,而在光波段实现就相对困难,因为难,因为即自发辐射与受激辐射的比率按即自发辐射与受激辐射的比率按?? 3 3增加。所以上能级的粒子会较快的将增加。所以上能级的粒子会较快的将落到下能级,因此需要有效地泵浦机制才能产生激光。落到下能级,因此需要有效地泵浦机制才能产生激光。因此,产生因此,产生 X X射线激光更为困难。很多研究工作涉及射线激光更为困难。很多研究工作涉及 X X射线激光。射线激光。 32213 21 ( ) 16 ( ) A B c ??? ????? Coherence Coherence 激光相对与普通光源的特点之一就是相干性。相干性分两方面,即激光相对与普通光源的特点之一就是相干性。相干性分两方面,即空间空间相干相干和和时间相干时间相干。。由由时间相干时间相干,可以知道在某个时间某处光的位相和振幅,如果这些量在,可以知道在某个时间某处光的位相和振幅,如果这些量在开始的某个时刻已经获知。开始的某个时刻已经获知。原子自发辐射有不确定时间原子自发辐射有不确定时间??,即光发出的时间长度为,即光发出的时间长度为??。定义相干长度。定义相干长度由傅里叶变换可得线宽: 由傅里叶变换可得线宽: 一般气体光源的多普勒加宽要比自然线宽大得多。一般气体光源的多普勒加宽要比自然线宽大得多。如果光波是如果光波是空间相干空间相干的,则不同观测地点的位相差总是保持不变。的,则不同观测地点的位相差总是保持不变。判断光源相干性的一个方法是相干光可以产生稳定的干涉条纹。非相干判断光源相干性的一个方法是相干光可以产生稳定的干涉条纹。非相干光也可产生干涉条纹,但干涉条纹不断的无规则变化。光也可产生干涉条纹,但干涉条纹不断的无规则变化。在传统光源照射下,光程差过大的麦克尔逊干涉仪和被光源不同部分照在传统光源照射下,光程差过大的麦克尔逊干涉仪和被光源不同部分照射的杨氏实验的两个狭缝都不会得到干涉条纹,说明了光源的时间相干射的杨氏实验的两个狭缝都不会得到干涉条纹,说明了光源的时间相干性和空间相干性很差。性和空间