文档介绍：第八篇激光原理演示文稿
第一页，共二十四页。
（优选）第八篇激光原理
第二页，共二十四页。
当光与物质的相互作用时, 原子的能级发生改变:
原子可以从高能级跃迁到低能级, 释放出能量.
原子可以吸收光子从低能级跃式
B21为受激辐射系数
W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率.
则
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
令 W21 = B21· （,T）
——有光的放大作用。
第七页，共二十四页。
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数.
1917年爱因斯坦从理论上得出:
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。
B21 = B12
热平衡时,从E2→E1和粒子数应等于从E1→E2的粒子数
即:
或:
—爱因斯坦关系
4、爱因斯坦关系
第八页，共二十四页。
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K；
kT～×10-20 J ～ eV;
E 2-E 1～1eV;
二、激光的形成
第九页，共二十四页。
1、粒子数反转
从E2 → E1 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（ 粒子数反转）。
因 B21=B12
W21=W12
产生激光必须
第十页，共二十四页。
(2) 外界能源的激励(称为泵或抽运)
能破坏热平衡,使处于基态的原子选择性地激发到
高能级,实现两能级E2和E1的粒子数反转.
实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质.
(1) 能实现粒子数反转的介质（激活介质）
外界激励的几种基本方式：
气体放电激励
原子间碰撞激励
光激励(光泵)
2、实现粒子数反转的条件
第十一页，共二十四页。
3、能实现粒子数反转的能级系统
亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能级寿命τ很短（τ~10-8s）。而亚稳态能级的寿命可达ms甚至s数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的条件。
具有亚稳态能级的物质可以作为激光工作物质。
激光工作物质在激励能源的作用下，实现并维持粒子数反转分布状态，通常称为激活介质。激光工作物质参与产生激光的能级有三个或四个，分别叫做三能级系统和四能级系统。
第十二页，共二十四页。
三能级系统
E3与E1构成一个宽吸收带,E3上的原子无辐射跃迁到E2 , E2与E1构成粒子数反转,三能级体系效率不高.
四能级系统
E3 E1寿命短, E2 是亚稳态,因此能容易实现E2与E1能级的粒子数反转,四能级体系效率高
激励
抽运
E1
E2
E3
A21
W12
W21
激励
抽运
A21
W12
W21
E1
E2
E3
E0
3、能实现粒子数反转的能级系统
第十三页，共二十四页。
3．激光器的结构
激活介质
激励能源
光学谐振腔
激光束
(1)工作物质;
激光器通常由工作物质、光学谐振腔、激励能源三部分组成。
工作物质的特点：
光学性质均匀、透明性好、稳定性好；
有亚稳态能级；
有较高的量子效率。
第十四页，共二十四页。
受激辐射的光子处于相同状态——相干光场.
自发辐射的光子处于非相干状态.
要使受激辐射为主, 则要求 W21=B21() < A21
即要求:
即相干光场的单色辐射能量密度大于某个最小值.
要增大()必须使激活介质长度远大于其横向尺寸.
即由自发辐射光子不断引起受激辐射,使()不断增大.
(2)光学谐振腔
第十五页，共二十四页。
光学谐振腔的作用：
①使非轴向光逸出腔外,轴向光来回反射;
② 延长介质长度,增强光放大;
它由两个反射镜和激活介质构成一个光学谐振腔。
实际介质并不足够长,只有采用光学谐振腔
激励能源
全反射镜
部分反射镜
激光
第十六页，共二十四页。
③使激光具有极好的方向性,只沿轴线发射;
④使激光具有极好的单***（选频性）.
对于可能有多种跃迁的情况，利用光的干涉条件
谐振腔的长度与波长满足:
不满足此频率的光将得不到加强而被淘汰.
阈值——维持振荡的条件
谐振腔内粒子数反转密度愈大,光放大的增益越高.
同时,光子减少的过程—损耗也存在(多种原因).
只有当增益大于损耗时,才能维持光振荡.
维持振荡所需最小反转密度叫阈值反转密度.