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1、第八章固体激光材料8.1固体激光材料物理基础8.2基质与激活离子8.3激光晶体8.4激光玻璃激光激光英文单词为：Laser,它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。1、三种跃迁受激吸收概率：为爱因斯坦吸收系数,只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度为E1能级上的原子数密度,(1)受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态。8.1固体激光材料的物理基础(2)自发辐射光子能量：自发跃迁概率：处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发
2、辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的无关）。(3)受激辐射受激辐射的概率：称为爱因斯坦受激发射系数。处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。2.自发辐射与受激辐射的区别原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。受激辐射时,原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相
3、位都完全一样。必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）3、激光产生的条件4、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。5、工作物质、亚稳态前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择合适的
4、工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。①二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=
5、W/(W+A21)，可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2＜n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。6、形成粒子数反转的结构-----原子能级系统②激光物质是三能级或四能级结构。如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W13抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使W13＞W23或W13＞W12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E3在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后
6、迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。n1四能级系统E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）7、光放大物质的增益增益系数:光通过单位长度激活物质后光强增加的百分数.①若n2-n1不随z变化,则增益系数g(z)为一常数g0(线性增益或小信号增益),将上式积分,得增益系数②n2(z)-n1(z)随z的变化而变化,增益系数g(z)随z的增加而减小,称为增益饱和效应.当I«
7、Is时,g(I)=g0为常数,且不随z变化,即小信号情况.当I«Is不能满足时,g(I)为大信号增益系数或饱和增益系数.8、光的自激振荡损耗系数:光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数.同时考虑增益和损耗，则有当时，说明Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0无关。无论初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的光强Im，这种现象称为自激振荡。这表明,当放大器足够长时,它可能成为一个自激
