laser2010_4激光形成的条件1

三,综合加宽
激光器中引起均匀加宽和非均匀加宽的物理 因素往往是同时存在的. 因素往往是同时存在的. 气体激光器中,碰撞加宽与多普勒加宽同时 气体激光器中, 存在; 存在; 固体激光器中,由于晶格热振动和晶格缺 固体激光器中, 陷所引起的加宽也是同时存在的. 陷所引起的加宽也是同时存在的. 我们称由均匀加宽与非均匀加宽同时引起的光 源谱线加宽为综合加宽 综合加宽. 源谱线加宽为综合加宽.
损耗系数
n = N2 - N1
5.2
光学谐振腔 (optical harmonic oscillator)
dN 21 dN 12 > dt 受激 dt 吸收
产生激光必须 因 ∴ 但 B21=B12
→ W21=W12
必须 N2 > N1( 粒子数反转). 粒子数反转).
n = N2 - N1 > 0, 实现粒子密度数反转分布 受激辐射<自发辐射 (普通光源) Or 受激辐射>自发辐射 (激 光) B21ρf(ν,ν0)>>Α21 ν,ν
综合加宽的线型函数等于均匀加宽的线型 函数与非均匀加宽的线型函数的卷积. 函数与非均匀加宽的线型函数的卷积.
当均匀加宽的线宽 比非均匀加宽的 大得多时,可近似认为是均匀加宽, 线宽 大得多时,可近似认为是均匀加宽, 反之认为是非均匀加宽. 反之认为是非均匀加宽.
两种常用气体激光器的各种线宽数据: 两种常用气体激光器的各种线宽数据:
定义:在热平衡条件下, 分布函数 f (υ z ) 定义:在热平衡条件下,速 处在z 度分量 υ z 处在 处时单位速度间隔内的粒子 数占总粒子数的百分比: 数占总粒子数的百分比:
式中: 式中:
N——总粒子数; 总粒子数; 总粒子数 dN——速度 分量处于 速度z分量处于 速度 内的粒子数. 内的粒子数.
多普勒加宽线型函数
由于多普勒加宽由于多普勒加宽->形成光谱线的线型函数 首先来求气体粒子按表现中心频率ν0` 分 布的分布函数,可定义为: 布的分布函数,可定义为:
用Nν 表示在表观中心频率ν 处时单位 频率间隔内的粒子数. 频率间隔内的粒子数.即 成正比, 而单色辐射功率 Pν 与Nν 成正比,又Nν 与 f (ν 0 ' ) 成正比,故 Pν 与 f (ν 0 ' ) 成正比.根据线型 成正比, 成正比. 函数的定义, 函数的定义,有:
f D(ν,ν0 )
如发光粒子的质量m 表示为 66× M(kg),M为发光 m=1.66×10-27 M(kg),M为发光 粒子的原于量或分子量, 粒子的原于量或分子量,则
例子: 例子:
2,固体工作物质中的非均匀加宽
固体工作物质中的发光粒子不能自由运动,因 固体工作物质中的发光粒子不能自由运动, 它不存在多普勒加宽. 此,它不存在多普勒加宽. 但也有引起非均匀加宽的物理因素,其中最 但也有引起非均匀加宽的物理因素, 主要的是晶格缺陷的影响,如位错,空位等. 主要的是晶格缺陷的影响,如位错,空位等. 在晶格缺陷的部位. 在晶格缺陷的部位.晶格场将与无缺陷部位的 理想晶格场不同, 理想晶格场不同,处在缺陷部位的发光粒子能 级会发生位移,导致发光谱的中心频率发生变化. 级会发生位移,导致发光谱的中心频率发生变化.
<
当P=1200Pa左右时为综合加宽;当P<<1333Pa时, 1200Pa左右时为综合加宽; P<<1333Pa时 左右时为综合加宽 为非均匀加宽;当少P>>13333Pa时为均匀加宽. P>>13333Pa时为均匀加宽 为非均匀加宽;当少P>>13333Pa时为均匀加宽.
其它加宽
Stark 加宽 内,外电场引起原子辐射谱线加宽. 外电场引起原子辐射谱线加宽. 塞曼加宽 外磁场引起原子辐射谱线加宽. 外磁场引起原子辐射谱线加宽. 自吸加宽 谱线被同种基态原子吸收,引起自蚀. 谱线被同种基态原子吸收,引起自蚀.
工作物质 全反射镜 部分反射镜
激光
激励能源
�
谱线加宽
非均匀加宽:气体激光器,多普勒频移效应; 非均匀加宽:气体激光器,多普勒频移效应;
固体激光器,晶格缺陷. 固体激光器,晶格缺陷.
前一课回顾( 前一课回顾(续4)
6,均匀加宽线型函数 自然加宽 碰撞加宽
f f N(ν,ν0 )
前一课回顾( 前一课回顾(续5)
7,光波多普勒频移效应
当光源与光接收器之间有相对运动时, 当光源与光接收器之间有相对运动时,光接 收器接收到的光波频率也会随两者间的相对运动 速度的不同而改变. 速度的不同而改变.
第五节 激光形成的条件 5.1 介质中光的受激辐射放大 一,光的放大概念
光通过介质,不是被吸收,就是由于 原子的受激辐射形成"光放大",产生为 数不断倍增的光子.
hv
hv
hv
hv
hv
二,实现光放大的条件 ——粒子数反转分布 ——粒子数反转分布
1,正常分布: 正常分布: 热平衡状态下,系统中各能级上的原子( 热平衡状态下,系统中各能级上的原子(集居 服从玻耳兹曼统计分布. 数)服从玻耳兹曼统计分布. 正常条件下, 正常条件下,系统中低能级原子数总是多于高 能级原子数. 能级原子数. 在两个能级间, 在两个能级间,受激吸收跃迁和受激辐射跃迁 具有相同的概率.因此,受激吸收占优势. 具有相同的概率.因此,受激吸收占优势.
前一课回顾
1,爱因斯坦系数关系: 爱因斯坦系数关系:
B21 = B12
8 π hν 3 A21 = B12 = nν hν 3 c
f (ν,ν0 )
2,光谱线的线型函数
f
f(ν,ν0)
f(ν0,ν0)
f(ν0,ν0)/ 2
光谱线的宽度 或称线宽 或称线宽
前一课回顾(续) 前一课回顾(
3,重新考虑跃迁几率 重新考虑跃迁几率
前一课回顾( 前一课回顾(续2)
4,重新考虑原子与辐射光场的作用
– 原子与连续谱光辐射场的作用
– 原 前一课回顾(续3)
5,谱线加宽 光源的光谱线往往比单个发光粒 谱线加宽:
子的光谱线要宽些, 子的光谱线要宽些,这是由光源中各发光粒子所 处环境的各种物理因素所造成的. 处环境的各种物理因素所造成的. 自然加宽 碰撞加宽 晶格振动加宽
增益介质无限长: 1,增益介质无限长:
增益介质有限长: 2,增益介质有限长:
光学谐振腔的作用: 光学谐振腔的作用:
产生激光的必要条件, 1. 产生激光的必要条件, 使激光具有极好 的方向性(沿轴线); 的方向性(沿轴线); 2.提供光学正反馈;增强光放大作用(延 2.提供光学正反馈;增强光放大作用( 提供光学正反馈 长了工作物质); 长了工作物质); 3.具有选择模式作用 3.具有选择模式作用,使激光具有极好的 单色性(选频). 单色性(选频).
f D(ν,ν0 )
f(ν0,ν0)
f(ν,ν0)
多普勒线宽: 多普勒线宽:
f(ν0,ν0)/ 2
f D(ν,ν0 )
f D(ν0,ν0 )
f D(ν,ν0 )
因此线宽为: 因此线宽为:
多普勒加宽的线型函数可进一步地表示为: 多普勒加宽的线型函数可进一步地表示为:
f D(ν,ν0 )
右图为多普勒加宽线 性函数,是高斯型. 性函数,是高斯型.图中 还画出它与各粒子光谱线 的关系. 的关系.每个粒子发出的 光谱线都是均匀加宽的洛 仑兹线型, 仑兹线型,因为频率为ν0 处的发光粒子最多, 处的发光粒子最多,因此 叠加的结果使得总光谱线 最高, 最高,频率从ν0 处向两边 变化, 变化,相应的发光粒子数 对称地减小, 对称地减小,致使总光谱 线也对称地降低. 线也对称地降低.
2,反转分布:要使受激辐射占优势,必须实 反转分布:要使受激辐射占优势, 现粒子数反转分布, 现粒子数反转分布,即高能级原子数要 超过低能级原子数. 超过低能级原子数.
三,光放大物质的增益系数
增益系数G(z) 增益系数G(z)-描述放大作用的大小 G(z)dI ( z ) 1 G (z) = dz I (z)
由于晶体的不同缺陷部位处发光粒子的中 心频率也不一样, 心频率也不一样,使得整个光源的总光谱 线加宽,这种加宽属于非均匀加宽, 线加宽,这种加宽属于非均匀加宽,它在 均匀性差的晶体中表现得更为突出. 均匀性差的晶体中表现得更为突出.
晶体的缺陷(错位,空位)造成晶格场不规 晶体的缺陷(错位,空位) 不能用确定函数表示.晶体质量越差, 则,不能用确定函数表示.晶体质量越差,谱 线越宽,只能实验测量.不占主要地位. 线越宽,只能实验测量.不占主要地位.
f (ν,ν0 )
ρν ρν
跃迁几率物理意义: 跃迁几率物理意义
跃迁几率物理意义: 跃迁几率物理意义
单色受激辐射 跃迁几率W21(ν)的物理 意义是:它表示在 总受激辐射 跃迁几率 W21中,分配在频率 ν 处,单位频带内的受激 辐射跃迁几率. 单色受激吸收 跃迁几率W12(ν)的物理意 义是:它表示在 总受激吸收 跃迁几率W12 中,分配在频率 ν 处,单位频带内的受激吸 收跃迁几率.
麦克斯韦统计分布规律
热运动速度服从麦克斯韦统计分布规律, 热运动速度服从麦克斯韦统计分布规律,分布 函数的解析表达式为: 函数的解析表达式为:
这个分布是高斯分布, 这个分布是高斯分布,分布 曲线如图所示.它说明, 曲线如图所示.它说明,激 光器的工作物质中的气体粒 光器的工作物质中的气体粒 子沿腔轴线速度分量为零的 几率最大, 几率最大,沿轴线向两个不 同方向运动的几率均等. 同方向运动的几率均等.
今日内容: 今日内容:
多普勒增宽 综合加宽 激光形成的条件
原子与光波场相互作用时的多普勒频移效应: 原子与光波场相互作用时的多普勒频移效应:
感受电磁波 的运动原子
速度统计分布
气体激光器的工作物质中的大量发光原子 或分子始终处在无规则的热运动状态中. 或分子始终处在无规则的热运动状态中.如果 以光轴线方向作为z 轴,激光输出方向为正方 向,气体粒子沿z 轴的速度分量各不相同.这 轴的速度分量各不相同. 种具有不同速度分量的发光粒子数可以用分布 描述. 函数 f (υ z ) 描述.
2,多普勒加宽
尽管发光粒子体系中各粒子的固有中心频率 尽管发光粒子体系中各粒子的固有中心频率ν0 是一样 中心 但由于各粒子的速度不同, 的,但由于各粒子的速度不同,若有一个光接收器在系统 的一侧: 的一侧: 向接收器运动的发光粒子所发光的中心频率测量值ν0` 向接收器运动的发光粒子所发光的中心频率测量值 将高于这些粒子静止时所发光的固有中心 中心频率 将高于这些粒子静止时所发光的固有中心频率ν0 , 而背离接收器运动的发光粒子中心频率测量值ν0` 则 而背离接收器运动的发光粒子中心频率测量值 低于这些粒子静止时所发光的固有中心 中心频率 低于这些粒子静止时所发光的固有中心频率ν0 . 因速度不同而不同了. 即运动粒子的表观中心频率ν0` 因速度不同而不同了.所 由各粒子光谱线叠加而成的整个光源光谱线便加宽了. 以,由各粒子光谱线叠加而成的整个光源光谱线便加宽了.这 种加宽称为多普勒加宽 属非均匀加宽. 多普勒加宽, 种加宽称为多普勒加宽,属非均匀加宽.