大学物理课件10激光

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1、第二十章激光主要内容：激光20.1光与物质作用的基本过程物质——原子体系基态激发态光——光子体系（能量:h;动量:h/c;质量:h/c2)基本模型考虑与产生激光有关的两个原子能级E1和E2(E2>E1)，以使问题大为简化。一、自发辐射（spontaneousradiation）高能级E2上的原子自发地跃迁到低能级E1发出光子过程，称为自发辐射。E2E1N2N1h设单位体积中处于E1、E2能级的粒子数为N1、N2E2E1自发辐射的原子数为则单位体积中，dt时间从它是单个原子单位时间内发生自发辐射概率。指数衰减律Ａ21自发辐射系数，注意到：dN21=–dN2于是有E2E

2、1N2N1h10自发辐射的各原子发的光是独立的、无关的非相干光。20考虑原子在E2能级的平均停留时间称为原子在E2能级的平均寿命。▲例:原子在一秒钟内发生自发辐射概率为1/10，则该原子在激发态E2平均停留时间为10秒。一般激发态寿命：一般亚稳态寿命：二、吸收（absorption）外来光频率满足h=E2–E1时，E1能级粒子吸收一个光子，跃迁到E2能级，称为受激吸收E1E2受激吸收的原子数为则单位体积中，dt时间从它是单个原子单位时间内发生受激吸收概率。B12受激吸收系数，w光谱辐射能量密度受激吸收概率E2E1N2N1hhh三、受激辐射(stimulated

3、radiation)外来光频率满足h=E2–E1时，E2能级粒子受其刺激，跃迁到E1能级，同时辐射一个与外来辐射完全相同的光子，称为受激辐射。E2E1N2N1hE2E1受激辐射的原子数为则单位体积中，dt时间从它是单个原子单位时间内发生受激辐射概率。B21受激发射系数，受激发射概率定义10受激辐射光与入射光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同——有光的放大作用。2o实际系统中，三种过程同时存在，只是各种过程所占比重不同。三种过程强弱由三个系数，即A2l、B2l和B12表征，它们之间关系是3o比较受激辐射与吸收的强度，有在室温下：20.2激光形成原理问题提出:我们希望产

4、生光放大——受激辐射。在什么条件下，受激发射可以大于吸收。一、粒子数反转(populationinversion)单位时间、单位体积内：吸收的光能量是：受激辐射的光能量是：净增加的光能量是：光强与光能量关系是利用三个系数关系——增益系数显然：光强减少光吸收光强增加光放大（称为粒子数反转）二、激光工作物质问题提出:N2

5、级物质是不能实现粒子数反转。2.三能级系统E1——基态能级E2——亚稳态能级E3——泵浦的高能级在E1与E2之间实现粒子数反转，泵浦能量高3.四能级系统E1E2B13W21A31W12A21S32A32E1E2W14W32A41S21A32S43A23E1——基态能级E2——激光下能级E3——激光上高能级E4——泵浦的高能级在E2与E3之间实现粒子数反转三、光学谐振腔(opticalharmonicoscillator)若光能多次重复进出工作物质，可以提高光与物质相互作用的等效长度。能够稳定实现光反馈的装置称为光学谐振腔。（上图是平行平面光学谐振腔的结构示意图）激励能源全反射镜

6、部分反射镜激光沿轴向光子，在两反射镜之间往返。引起工作物质的受激发射，产生出频率、位相、偏振方向和传播方向都相同的光子，输出激光。四、阈值条件工作物质的吸收、散射和反射镜的吸收、透射等因素而出现损耗。要产生激光振荡，必须满足一定条件，称之为阈值条件。光在谐振腔中往返一次，须满足全反射镜部分反射镜激光L是谐振腔腔长；r1、r2是两反射镜光强反射率。阈值条件20.3激光的模式与性质一、激光的纵模和单色性由于相干性要求，满足相干极大条件光波，才能存在，否则受到抑制，逐渐消失。将腔内允许存在的波长和频率称为激光的纵模。输出LA某时刻A处光有刚产生的,也有来回反射一次、两次、...的,

7、产生干涉。相长干涉才有输出,条件为:光程差(k=1、2、3、…．)例子：氦氖激光器Ne原子的0.6328m受激辐射光的谱线宽度为，如图示。k＝1,2,3…k—真空中的波长Lk=1k=2k=3n—谐振腔内媒质的折射率01.3109Hz数量级估计：Ｌ～1m；n～1.0；c～３×108ms因此，在区间中，可以存在的频率种数为：II0通过缩短腔长和控制反射镜膜厚等手段可使输出频率数减少。I区间中只存在一种频率。则k要增大到10倍，在区间中只可能存在例如利用缩短