《现代光学基础教学课件》激光原理课件
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激活介质：实现粒子数反转分布的介质 （分子、原子、离子）。
一般采用三、四能级系统
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18
1、为什么不能用二能级系统
二能级系 统不能实 现粒子数 反转分布
至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。
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19
为什么用三、四能级系统？
激光原理 . 第一章
原子处在激发态时间很短108s，但还有 一些亚稳态，可以停留103s,
第2章 激光产生的基本原理
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1
光的受激辐射基本概念
激光原理 . 第一章
受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规 律时首先提出。 黑体辐射研究过程中：
普朗克——1900年，辐射量子化假设；
波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；
爱因斯坦——1917年，从光量子概念出发，重新推导 了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。
n2 A21 n2B21 n1B12
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
f 2 , f1 E1、E2的统计权重/能级简并度
精选ppt
11
f1 f2
结论：
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
激光原理 . 第一章
1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。
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12
§2.3 激光产生的条件
14
• 受激吸收对受激辐射光放大的影响
集居/粒子数正常分布:
E2
n1 n2
E1
B 21 n2
B 12 n1
n2
E2 E1
e kT
1
n1
n2W21n1W12
受激辐射 受激吸收
受激吸收 占优势， 不能产生 光放大
受激辐射光放大的必要条件：集居数/粒子数
反转分布（n2>n1）
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15
• 自发辐射对受激辐射光放大的影响
16
激光原理 . 第一章
2.3.2 集居数/粒子数反转——光放大必要条件 粒子数反转分布（集居数反转）
E2
n1 n2
E1
n2W 21n1W 12
受激辐射 受激吸收
受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强， 获得光放大。
光放大/激光产生的必要条件：粒子数反转分布
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2.3.3 激活粒子的能级系统
d1n 2 B 12()n 1(t)dt E1
B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子本 身性质有关。
•
受激吸收跃迁几率：
W12
(dn12 dt
)st
1 n1
W12 B12
W12与原子本身性质和辐射场能量密度有关
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8
3. 受激辐射
hE2E1
E2
h
E 1 发光前
h h
发光后
当外来光子的频率满足h E2时 ，E1使原子
白炽灯、日光灯
E2
等普通光源，它
h 们的发光过程就
E1
发光前
发光后
是上述的自发辐 射，频率、振动 方向、相位都不
自发辐射光子频率：
固定相同，不是
hE2E1 精选ppt
相干光。
5
•E2能级粒子数密度变化：
d2 n spA2n 12(t)dt
A21: 自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数）
A21
( dn21 dt
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3
2.1 原子发光机理
光和物质三种作用过程： 自发辐射、受激吸收和受激辐射 原子的跃迁
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另
一能级。
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4
2.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发
态的高能级E2 自动跃迁至低能级E1，辐射光子, 称为自 发辐射。随机过程，非相干光。
)sp
1 n2
E2
1
A21 பைடு நூலகம்S
E1
原子在能级 E 2 的平均寿命
A21, 只与原子本身性质有关，与辐射场无关
精选ppt
6
2. 受激吸收
当原子中的电子处于低能级时，吸收光子 的能量后从低能级跃迁到高能级----光吸收。
高能级E2
光子
低能级E1
hE2E1
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7
• E1 能级粒子数密度变化： E2
• 受激辐射跃迁几率：
W21
(
dn21 dt
)st
1 n2
W21 B21
W21与原子本身性质和辐射场能量密度有关。
当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程
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10
激光原理 . 第一章
三、爱因斯坦三系数A21、B21、B12 的相互关系
热平衡状态：
辐射率 吸收率（辐射场总光子数保持不变）
激光原理 . 第一章
2.3.1 受激辐射光放大
在受激辐射中通过一个光的作用，得到两 个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引 起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特 征完全相同的光子----光放大，激光。
光放大
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相干光 （激光）
13
对受激辐射光放大的影响因素： •受激吸收 •自发辐射
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RW A 2 21 1B A 21218 c3h eh K 1 T1
例：T=300K时，λ=0.6μm, R 1035
此时，光源是非相干光源。
例2：λ=1μm时, 欲使R =1, 则： T=50 000K
可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非 相干光源。
自发辐射光对激光: 噪声
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中处于高能级的电子会在外来光子的诱发
下向低能级跃，并发出与外来光子一样特
征的光子（全同光子）----受激辐射。
全同光子：频率、相位、偏振方向和传播方向均
相同的光子。——相干光子
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9
• E2能级粒子数密度变化：
d2n 1 B 21()n 2(t)dt
B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子 本身性质有关。
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2
任何物质在一定温度下都要 辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波 长的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
受激辐射概念的提出
受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作 用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃 迁。爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热 平衡，还必须存在受激辐射。
亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定
得多。
在亚稳态上有可能积累 较多的粒子，与下能级
激发态 亚稳态
之间实现粒子数反转分
泵浦
布，达到光放大的目的。
基态
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2、三能级系统
例：红宝石：在人工制造的刚玉（ A l）2 O中3 ，掺入少量
一般采用三、四能级系统
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1、为什么不能用二能级系统
二能级系 统不能实 现粒子数 反转分布
至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。
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为什么用三、四能级系统？
激光原理 . 第一章
原子处在激发态时间很短108s，但还有 一些亚稳态，可以停留103s,
第2章 激光产生的基本原理
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1
光的受激辐射基本概念
激光原理 . 第一章
受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规 律时首先提出。 黑体辐射研究过程中：
普朗克——1900年，辐射量子化假设；
波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；
爱因斯坦——1917年，从光量子概念出发，重新推导 了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。
n2 A21 n2B21 n1B12
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
f 2 , f1 E1、E2的统计权重/能级简并度
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11
f1 f2
结论：
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
激光原理 . 第一章
1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。
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§2.3 激光产生的条件
14
• 受激吸收对受激辐射光放大的影响
集居/粒子数正常分布:
E2
n1 n2
E1
B 21 n2
B 12 n1
n2
E2 E1
e kT
1
n1
n2W21n1W12
受激辐射 受激吸收
受激吸收 占优势， 不能产生 光放大
受激辐射光放大的必要条件：集居数/粒子数
反转分布（n2>n1）
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• 自发辐射对受激辐射光放大的影响
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激光原理 . 第一章
2.3.2 集居数/粒子数反转——光放大必要条件 粒子数反转分布（集居数反转）
E2
n1 n2
E1
n2W 21n1W 12
受激辐射 受激吸收
受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强， 获得光放大。
光放大/激光产生的必要条件：粒子数反转分布
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2.3.3 激活粒子的能级系统
d1n 2 B 12()n 1(t)dt E1
B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子本 身性质有关。
•
受激吸收跃迁几率：
W12
(dn12 dt
)st
1 n1
W12 B12
W12与原子本身性质和辐射场能量密度有关
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3. 受激辐射
hE2E1
E2
h
E 1 发光前
h h
发光后
当外来光子的频率满足h E2时 ，E1使原子
白炽灯、日光灯
E2
等普通光源，它
h 们的发光过程就
E1
发光前
发光后
是上述的自发辐 射，频率、振动 方向、相位都不
自发辐射光子频率：
固定相同，不是
hE2E1 精选ppt
相干光。
5
•E2能级粒子数密度变化：
d2 n spA2n 12(t)dt
A21: 自发辐射几率（自发辐射爱因斯坦系数）
A21
( dn21 dt
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2.1 原子发光机理
光和物质三种作用过程： 自发辐射、受激吸收和受激辐射 原子的跃迁
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另
一能级。
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4
2.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发
态的高能级E2 自动跃迁至低能级E1，辐射光子, 称为自 发辐射。随机过程，非相干光。
)sp
1 n2
E2
1
A21 பைடு நூலகம்S
E1
原子在能级 E 2 的平均寿命
A21, 只与原子本身性质有关，与辐射场无关
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6
2. 受激吸收
当原子中的电子处于低能级时，吸收光子 的能量后从低能级跃迁到高能级----光吸收。
高能级E2
光子
低能级E1
hE2E1
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• E1 能级粒子数密度变化： E2
• 受激辐射跃迁几率：
W21
(
dn21 dt
)st
1 n2
W21 B21
W21与原子本身性质和辐射场能量密度有关。
当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程
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激光原理 . 第一章
三、爱因斯坦三系数A21、B21、B12 的相互关系
热平衡状态：
辐射率 吸收率（辐射场总光子数保持不变）
激光原理 . 第一章
2.3.1 受激辐射光放大
在受激辐射中通过一个光的作用，得到两 个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引 起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特 征完全相同的光子----光放大，激光。
光放大
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相干光 （激光）
13
对受激辐射光放大的影响因素： •受激吸收 •自发辐射
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RW A 2 21 1B A 21218 c3h eh K 1 T1
例：T=300K时，λ=0.6μm, R 1035
此时，光源是非相干光源。
例2：λ=1μm时, 欲使R =1, 则： T=50 000K
可见，普通光源在红外、可见光及更小波段是非 相干光源。
自发辐射光对激光: 噪声
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中处于高能级的电子会在外来光子的诱发
下向低能级跃，并发出与外来光子一样特
征的光子（全同光子）----受激辐射。
全同光子：频率、相位、偏振方向和传播方向均
相同的光子。——相干光子
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9
• E2能级粒子数密度变化：
d2n 1 B 21()n 2(t)dt
B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数，只与原子 本身性质有关。
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任何物质在一定温度下都要 辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波 长的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
受激辐射概念的提出
受激辐射概念提出前，对光与物质的相互作 用过程，普遍认为只有两种：自发辐射和吸收跃 迁。爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热 平衡，还必须存在受激辐射。
亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定
得多。
在亚稳态上有可能积累 较多的粒子，与下能级
激发态 亚稳态
之间实现粒子数反转分
泵浦
布，达到光放大的目的。
基态
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2、三能级系统
例：红宝石：在人工制造的刚玉（ A l）2 O中3 ，掺入少量