文档介绍：学习好资料 欢迎下载
学习好资料 欢迎下载
学习好资料 欢迎下载
激光原理与技术
1960年梅曼根据肖洛的受激辐射光量子放大理论研制出一台红宝性必然使原子的能量状态是不连续的，把原子的某一能量状态称为量子态，能量最低的量子态称为基态，能量高于基态的量子态称为激发态，每一个量子态都有固定的能量，称为能级。把所有量子态按能量大小画成比例图，称为能级图，任何原子的能级图都是由许多能级构成的。原子在不同量子态间变化称为跃迁，跃迁实际上是电子从一个运动轨道变换到另一运动轨道的结果，从而使原子的能量状态发生突变。
如果原子能态的变化是从低能级跃迁到高能级，就表现为吸收，反之，原子的能态变化是从高的能量状态变成低的能量状态，就表示从高能级跃迁到低能级，此时，将放出一个能量为的光子，且光子的能量等于这两个能级间的能量差，即
()
为高能级能量，为低能级能量。
在日常生活中，经常看到大量发光体，不外乎是通过加热、通电、碰撞或光照等，使物质的原子由基态或低能态激发到高能态。因为原子在高能态是不稳定的，它要自发的降到低能态或基态，从而放出光子，产生光辐射。由于原子的能级结构是非常复杂的，所以大多数物质产生的光辐射是复杂的光谱，即包括各种频率的光子。如果有办法使跃迁在两个固定的能级间发生，便可得到单一频率的光，激光就是由具有这种特性的物质产生的。对于激光工作物质，存在一个特殊的能级。在这个能级状态下原子具有相对较长的稳定时间，称这样的能级为亚稳态能级，也叫亚稳态。激光工作物质按能级图大致分为两类，一类是三能级，另一类是四能级，能级图如图1-1所示。
学习好资料 欢迎下载
学习好资料 欢迎下载
学习好资料 欢迎下载
图1-1 激光工作物质能级图
能级图中的激发态是表示许多高能态的集合，当激光工作物质被电激发或光照，其原子便由基态跃迁到原子激发态，然后以无辐射跃迁形式降到亚稳态，并在此态上停留，随着激发的增强和时间的累积，亚稳态的原子数可能大于基态(三能级)或末态(四能级)的原子数，称此种状态为粒子数反转。粒子数反转是产生光放大的基本条件，在设置光学谐振腔的情况下，便能形成光振荡与放大，产生激光输出。在三能级系统中，为了达到粒子数反转，亚稳态的原子数至少要大于总原子数的一半，而在四能级系统中，末态原子数极少，亚稳态的原子数只要大于末态的原子数，就实现粒子数反转了，所以在较弱的激发条件下也能实现粒子数反转，容易产生激光振荡。
下面我们将深入讨论光的吸收与辐射是按什么样的过程进行的：
当一束光通过激光工作物质，并不是所有的光都被吸收，只有光子能量等于两能级间的能量差时，才可能被该原子吸收，设上能级能 量为，下能级能量为，则应满足，称此关系为共振条件，就是说在满足共振的条件下，处于任一能级的原子在光的作用下，存在着跃迁到较高能级并吸收光能的可能性，其中是作用到原子上的光的频率，这种共振条件下的吸收叫做光的受激吸收，以单位体积为基准，设在时间处于能级上的原子数(即原子密度)为，处于高能级上的原子密度为，若在时间到，由于从外界吸收了频率附近的辐射能密度而使得有个原子从跃迁到，则应该和入射光能密度，下能级的粒子数与时间成正比，即
()
式中是一个比例系数，叫做原子从低能级跃迁到高能级的受激吸收爱因斯坦系数。将()改写成
()
所以等于从到时间内，在单位体积内，从低能级跃迁到高能级的原子数和原来在时刻处于低能级上的原子数之比，可见具有几率的概念，并称其为原子受激吸收光的几率。
学习好资料 欢迎下载
学习好资料 欢迎下载
学习好资料 欢迎下载
当原子被激发到上能态时，它在高能态上是不稳定的，总是力图使自己处于最低的能态上,(这里仅考虑两个能级)。在没有任何外界作用情况下，它也有可能从高能态跃迁到低能态上，而把相应的能量释放出来，这种辐射过程称为自发辐射过程，其辐射释放能量的方式有两种，一种是以热运动的能量放出来(可以看成是持续放出n个远红外波)，称为无辐射跃迁，另一种是以光的形式辐射出