激光原理概论基本概念.docx

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1、激光原理光的受激辐射黑体:某物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射。热辐射：不同温度下的物体能辐射不同的电磁波，这种能量按频率的分布的分布随温度的不同的电磁辐射单色能量密度：在单位体积内，频率处于v附近的单位间隔中的电磁辐射能量。电磁场和物质相互作用划分为三个过程：自发辐射，受激辐射，受激发射。自发辐射Hγ=E1-E2定义：在无外磁场作用时，粒子自发的从高能级E2跃迁到E1发射光子hv。特点：各粒子自发，独立发射光子。各光子的方向、偏振、初相等装态是无规则的，独立的，粒子体系为非相干光源。q0=hvA21n

2、20粒子数和功率都是随时间指数衰减A21自发辐射系数，激发态平均寿命τ的倒数，只和粒子本身有关。受激吸收定义原子处于低能级的E1的粒子，受到恰为hv=E2-E1的光子的照射而吸收该光子的能量，跃迁到E2。dn2=B12ρvn1dt其中B12称为受激吸收系数由不同原子跃迁。受激吸收而跃迁到E2能能级的几率。受激辐射定义：原处于高能级E2的粒子受到能量恰为hv=E2-E1的光子激励发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级。特点：1.受激辐射只能在频率满足hv=E2-E1的光子激励下发生。2.不同粒子发射

3、的光子与入射光子频率、位相、偏振等状态相同，这样光场中相同的光子数目增加。光强增大，即光放大过程。3.受激辐射的粒子系统是相干光源。受激辐射光子与入射光子处于同一光子态。4.受激辐射是产生激光的最重要的机理5.受激辐射与自发辐射重要区别就是相干性，受激发射使激光具备了高亮度，方向性，单色性，相干性受激辐射系数B21dn21=B21ρvn2dt数值由原子的不同跃迁而定。W21是单位时间内粒子受激发射由E2跃迁到E1的几率。当b一定时p越大w越大。激光的特征单色性：光强按频率分布状况，激光的频谱宽度非常窄。

4、相干性：时间和空间相干性都很好方向性：激光基本是沿一条直线传播，激光的发散角很小。高亮度：在单位面积单位立体角输出功率特别大。这四性本质上激光具有高的简并度。激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强，由于受激辐射和光腔的选模作用。空间相干性：同一时刻两个空间不同点上的光波场之间相干性。杨氏双缝干涉1.空间相干性和方向性是紧密相连的。与激光的横模结构相联系。2.为了提高激光器的空间相干性应限制激光工作器在单单横模，合理选择光腔类型以及增加腔长提高光束的方向性。3.达到最小光束发散角还受衍射限制，不能小于

5、激光通过输出孔衍射角θmθ≈α2a2a为输出孔径α波长4.激光束的空间呢相干性和方向性对它聚焦性有重要影响焦距F发散角θ焦平面光斑直径DD=FθDm=F2aα时间相干性时间相干性和单色性是紧密联系的定义：在空间同一点上，两个不同是时刻的光波场之间的相干性tc=1/Dn，Dn--频带宽度单色性越高，相干时间越大高亮度原因：由于极高的高简并度，在加上能量在时间和空间上的高度集中1.高简并度2.激光光束的立体角非常小3.激光常以脉冲的形式发射出来激光形成的条件基本条件-----受激辐射占优势总结1.n2-n1

6、g2g1<0光穿过介质时随光强随路程衰减宏观表现为吸收2.n2-n1g2g1>0光强随路程增长宏观表现为放大-----光放大粒子数反转条件：反转粒子数反转条件就是△n＞01.工作物质粒子有适当的能级结构2.有合适的激励能源实现反转的手段：激励或泵浦或抽运向粒子系统输入能量实现光放大的条件1．激励能源——把介质中的粒子不断有低能级抽运到高能级上2．增益系数——能在外界激励能源作用下形成粒子数密度反转分布光学谐振腔定义作用：选模作用：在开放式光腔中的光波数目几个或者几十个绝大多数电磁波模损耗极大，只有极少数

7、模式损耗很低而保留腔内，这些模式大为提高——这就选模作用产生激光的基本条件1.能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状态的增益介质（增益大于损耗）1.要使受激辐射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转（粒子数反转）方法：利用外界激励能源，把大量粒子激励到高能级上2.要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子的简并度（自激震荡）方法：利用光腔造成强辐射场，提高腔内光场的相干性激光器的三个主要组成1.工作介质：粒子有适当的能级结构，可实现粒子反转2.激励能源：抽运把大量粒子激励到高能级上3.光学谐振腔：选

8、模提高相干性实现光学正反馈谱线加宽定义：实际上光强分布总是有一个有限宽度的频率范围内，每一条都有一个中心频率。这种现象叫谱线加宽自然加宽由于能级有一定的宽度所以当原子在能级间自发发射时，他的频率也有一个变化范围△vN，△vN辐射的自然宽度。△vN由粒子能级的寿命不确定产生的，大小能级的平均寿命决定。碰撞增宽机理：由气体粒子间或气体粒子与器壁间的碰撞，或固体粒子间的偶极互相作用引起的谱线增宽。原因：1.由于气体分子或原子间的碰撞作用使发光粒子