第二讲激光原理激光器基本结构.ppt

Postgraduate激光原理Postgraduate本节课主要内容能级跃迁自发辐射受激辐射受激吸收粒子数反转三能级和四能级激光器基本结构纵模横模Postgraduate按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能 量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原 子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态 之间进行我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃 迁E1E3 E2PostgraduatePostgraduate能级: 粒子的内部能量值 高能级: 能量较高的能级 低能级: 能量较低的能级基能级: 能量最低的能级(相应的状态称基态） 激发能级: 能量高于基 能级的其它所有能级(相 应状态称激发态) 6 51234n激发态基态辐射跃迁和非辐射跃迁 1.跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程2.辐射跃迁: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁 至低能级;E2E1②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁 至高能级.E2E163.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)4.激发态的平均寿命 τ : 粒子在激发态停留时间的平均值τ的典型 值: 10-7～10-9秒5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁, 则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒), 称亚稳能级,相应的态 为亚稳态。

一般，能级寿命 10-8  10-9 S如H原子 2p态   0.1610-8 S 3p态   0.5410-8S亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV)   10-4 S (19.77eV)   10-6 S 7Postgraduate高高 能能 级级低低 能能 级级热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律: :ENE2E1N1N2Postgraduate光与物质相互作用的三种过程爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点 出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程：q自发辐射q受激辐射q受激吸收Postgraduate设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数单位体积中单位时间内， 从E2  E1自发辐射 的原子数： 自发辐射过程(spontaneous radiation)E2E1N2N1hPostgraduate写成等式 Ａ21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率 各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相 干光 。

Postgraduate受激辐射 (stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子h设 （、Ｔ）—温度为Ｔ时, 频率为  = (E2 - E1) / h附近 ，单位频率间隔的外来光的能量密度Postgraduate则单位体积中单位时间内，从E２ E１ 受激辐射的原子数 ：写成等式B21受激辐射系数PostgraduateW21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率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------有光的放大作用则令 W21 = B21· （、T）Postgraduate受激辐射过程受激辐射过程趋近高能级趋近高能级E E2 2上的粒子时上的粒子时外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件: :感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级E E1 1发射一个全同光子发射一个全同光子( (频率相同、频率相同、 传播方向相同、传播方向相同、 偏振方向相同）偏振方向相同）光放大PostgraduateE2E1N2N1h上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：受激吸收过程（stimulated absorption ）Postgraduate写成等式B12 吸收系数令 W12=Ｂ12 ( 、T) W12  单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。

PostgraduateA21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数 结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推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f2B21 = f1 B12上述关系如何推导得出呢？A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件 推导得出Postgraduate思考： 物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？提示：光学中谱的概念，Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱20Postgraduate粒子数反转 (population inversion)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Postgraduate\必须 N2 >N1 这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转因 B21=B12 W21=W12产生激光必须 其中称为反转粒子数Postgraduate受激吸收总是占优势受激吸收总是占优势表现为光的吸收表现为光的吸收通常情况下通常情况下：：N N1 1  N N2 2B B21 21 · ·   ( ( 2121) ) · · N N1 1 B B12 12 · ·   ( ( 2121) ) · · N N2 2粒子数分布反转粒子数分布反转受激辐射占优势受激辐射占优势为得到光放大,必须使N N2 2 N N1 1视频实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的外界激励能量；2）原子在激发态多“呆”一会；24Postgraduate1) 实现粒子数反转分布的条件实现粒子数反转分布的条件电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励(A)(A) 激励激励( (又称泵浦又称泵浦) )光光 的的 光光 增增 益益Postgraduate(B) (B) 合适的能级结构合适的能级结构（合适亚稳态的存在）（合适亚稳态的存在）光光 的的 光光 增增 益益三能级系统三能级系统 当当泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有可能使可能使 , ,在能在能 级级E E2 2 于于E E1 1 间实现粒子间实现粒子数反转。

数反转光光 的的 光光 增增 益益亚稳态能级亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N27红宝石激光器的工作物质：红宝石红宝石激光器的工作物质：红宝石 —— —— 是掺有少量铬离子（是掺有少量铬离子（CrCr3+3+) )的（的（ AlAl2 2OO3 3) )晶体采用光激励方法：采用光激励方法： 受激和发光都在受激和发光都在CrCr3+3+上进行，上进行，是典型的三是典型的三 能级系统能级系统光光 的的 光光 增增 益益28四能级系统四能级系统 比三能级系统容易实比三能级系统容易实现粒子数反转分布现粒子数反转分布光光 的的 光光 增增 益益29四能级系统四能级系统 当当泵浦光足够强时，有泵浦光足够强时，有可能使可能使 , ,在能在能 级级E E3 3 于于E E2 2 间实现粒子间实现粒子数反转光光 的的 光光 增增 益益E4E13EN21N3NE0NE2N4亚稳态能级亚稳态能级NE E4E12EN23N03E30NdNd：：YAGYAG激光器是四能级系统激光器是四能级系统31氦氖气体激光器是四能级系统氦氖气体激光器是四能级系统氖原子 在 间实现粒子数反转分布光光 的的 光光 增增 益益 s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电子碰撞激发电子碰撞激发电电 子子 碰激激 发发管壁效应管壁效应自发辐射自发辐射632.8nm共振转移32产生激光的能级系统（1） 三能系统 （2）四能级系统 三能级系统四能级系统红宝石激光器钕玻璃激光器33(1)(1) 要有适当的激光工作物质要有适当的激光工作物质(2)(2) 要有外界激励源要有外界激励源(3)(3) 要有激光谐振腔要有激光谐振腔激光形成的基本条件激光形成的基本条件激光形成的基本条件或激光器的基本结构激光形成的基本条件或激光器的基本结构产产 生生 激激 光光 的的 条条 件件谐振腔的作用：（2）使激光产生极好的方向性。

空间） （3）使激光的单色性好频率）（1）维持光振荡，起到光放大作用－正反馈34激光器的组成激光器的组成谐振腔工作物质工作物质激励系统激励系统激激 光光 器器一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔 35激光工作物质 全 反 射 镜半 反 射 镜工作原理：out 光放大原理谐振腔作用：正反馈和选择方向谐振腔作用：正反馈和选择方向36一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔光学谐振腔的作用光光 学学 谐谐 振振 腔腔激光在两反射镜间形成激光在两反射镜间形成驻波驻波谐振条件为：谐振条件为：2nL = 2nL = q q  = q = q c c  2 2nLnL L L: : 腔长腔长 n n: : 气体折射率气体折射率37振荡模式振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定是指能够在谐振腔内存在的稳定 的光波基本形式，用的光波基本形式，用TEMTEMmnqmnq表示mm和和n n表征该模式在垂直于腔轴内形成表征该模式在垂直于腔轴内形成 驻波的节点数驻波的节点数, ,称称横模数横模数。

q q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称点数，称纵模数纵模数1 1. .纵模纵模 能引起振荡的频率关系能引起振荡的频率关系2 2. .横模横模 光场在横向不同的稳定分布光场在横向不同的稳定分布光光 学学 谐谐 振振 腔腔38小结：产生激光的必要条件ｌ. 激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级）３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）39(1)红宝石激光器 聚光反射器红宝石棒触发电极氙闪光灯激光束无辐射跃迁E!E3 E2激发态亚稳态基态泵浦550.0 nm694.3 nm激励能源，工作物质，谐振腔&激光器的结构激光器基本上由三部分份组成：40(2)氦氖激光器 氦氖原子能级 无辐射跃迁泵浦E!E4 E3激发态亚稳态基态E2阳极阴极 毛细管部分反射镜全反射镜内腔式球面反 射镜阳极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗外腔式球面半 反射镜41PostgraduateThank you!。