文档介绍：《激光原理》课程论文激光构成思想及产生的必要条件原理概述学校: 西北大学院系: 物理学系专业: 光信息科学与技术姓名: 相辉学号: 200 8 112 101 摘要: 激光作为新型强相干光源的出现,是现代信息光学发展的三大事件之一。激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命,同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助,已被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域,带动了许多新兴学科的发展。激光的诞生是一种巧妙的设计,激光的产生综合考虑了各种问题,创造性地解决了物质自然状态下的很多难题。然而,它的构成思想又是朴素的,所选择的器件也是有针对性、有方向性的,它表现出来的宏观特性又是神奇和具有广泛用途的。本文介绍激光的构成思想,阐述了激光工作原理和实现激光产生的种种必要条件,诸如粒子数反转条件、谐振腔稳定条件、振荡条件等,并说明了激光器件各部分的功能作用及四大宏观特性的产生原因。关键词: 受激放大粒子数反转增益谐振腔稳定条件振荡条件宏观特性一、激光器的构成思想及组成部分激光要实现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子,而且是从高能级向低能级跃迁,同时把变化的能量以光子的形式释放出来,这是激光形成的基础。然后,要对光子数密度进行不断放大,很快将极强的激光震荡而输出。但是,在一般情况下,自发辐射的几率远远大于受激辐射几率,而且通过提高温度的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的,这就需要能够容易产生光子的激光工作物质,同时需要在热平衡条件下对工作物质增加一个激励系统,打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布,形成反转粒子数分布,使得工作物质对光子的吸收为主变为对光子的放大超过吸收。为了实现放大辐射,就要提高光子简并度,因为工作物质不可能做得太长, 但是可以增加通过工作物质的次数使得光子数密度增大,这就需要有谐振腔,由两面发射镜组成的反馈光学系统。同时,为了提高同一状态内的光子数,必须大大减少谐振腔内的模式密度, 这就需要将谐振腔做成开放式谐振腔,使得偏离光轴方向传播的光波模式损失掉,只保留少数沿光轴方向传播的模式。综上,激光的产生过程是:激光工作物质在泵浦源的激励下被激活,即介质处于粒子数反转状态,在粒子数反转分布的两能级 2E 和1E 之间,由自发辐射过程产生很微弱的特定频率( 2 1 E E h ???)的光辐射。在自发辐射光子的感应下, 在上下能级 2E 和1E 之间产生受激辐射。这种受激辐射光子与自发辐射光子的性质(频率、相位、偏振、传播方向)完全相同,很快由这些光辐射在介质中产生连锁反应,由于谐振腔的作用,这些光子在腔内多次往返经过介质,产生更多的同类光子密度,因此就可能使某类光子的受激辐射成为介质中占绝对优势的一种辐射,从而从谐振腔的部分透射镜端输出光能,这就是激光。因此,各种激光器的基本组成部分有:(1)工作物质,实现粒子数反转并产生激光的物质体系,是激光器的心脏;(2)激励系统,激光系统能源的供应者, 并以一定方式促成激光工作物质处于粒子束反转状态;(3)光学谐振腔:提供光学反馈条件,并对于激光器的振荡波形进行选择和限制。二、激光产生的必要条件原理 1. 光放大条件:粒子束反转假设有一个二能级系统,在物质处于热平衡状态下,分布在各能级上的原子个数的多少服从玻尔兹曼分布: ( 2 1) 2 2 1 1 E E kT n g e n g ???(1) g 为光波模式数。在通常情况下,低能级的原子数密度总是大于高能级的原子数密度,即 1 2 n n ?,则总是有: 1 2 1 2 n n g g ?(2) 这是光通过介质时,吸收过程总大于光的受激辐射过程。如果在外来能量激发下,使物质中处于高能级的原子数密度 2n 大于处于低能级原子数密度 1n ,即 1 2 1 2 n n g g ?,或者2 2 1 0 1 g n n n g ? ???(3) 光的受激辐射大于光的吸收,使物质的输出能量大于入射光能量,这就是光放大过程, n?就是反转粒子数密度。此时的介质为激活介质或增益介质。对于( 1)式,因 2 1 E E ?,要使( 2)(3)式成立,介质温度满足 0T?,所以粒子数反转状态又称为负温度状态。假设粒子在高能级 2E 和低能级 1E 上的寿命 2?和1?分别与它们自发辐射系数2A 和1A 成反比,即 122A ??,111A ??。设单位时间内激发到能级 2E 的粒子数为 2W ,由于自发辐射影响,处于 2E 上的粒子个数保持不变,单位时间内激发到能级 2E 上的粒子数必须等于自发辐射消耗的粒子数个数,即: 2 2 2 2 2 n W