固体激光材料ppt课件

dn2 dn12 dn21 dn21 dt dt st dt st dt sp
dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,
当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=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
1、三种跃迁
(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。
受激吸收概率：
W12

1 n1

dn12 dt
st
W12 B12 (）
n1 为E1能级上的原子数密度, (） 为辐射场能量密度
B12 为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。 3
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振荡器.
二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。
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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。
(2) 自发辐射
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（自发辐射只 与原子本身性质有关， 与辐射场的 (无） 关） 。
光子能量：
h 21 E2 E1
自发跃迁概率：
A21
dn21 1 dt sp n2
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(3) 受激辐射
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。
受激辐射的概率：
W21
1 dn21 n2 dt st
W21 B21 (21)
B21 称为爱因斯坦受激发射系数。
受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。
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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。
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
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激光
激光英文单词为：Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的 光放大。
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8.1 固体激光材料的物理基础
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位都完全一 样。
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3、激光产生的条件
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）
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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。
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
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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。
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6、形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
I (z) I0eg0z
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② n2(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.
增益系数 g(I) g0 1 I Is
当I«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.
很 粒少子，数因反而转比E3和三E能2间级的系
统容易实现。
n4
(快）
(慢） n3 N2
n1
四能级系统
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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.
g(z) dI(z) 1Baidu Nhomakorabeadz I (z)
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
E3
n3
E2
n2
E1
n1
三能级系统
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在的 然 能外粒后级界子迅为激大速亚励量转稳下地移态，跃到，基迁E寿3。态到命EEE较314， E4
长 因 很 在 粒而快。 E子3和到回数E2能 E达到反2之级基E转2间上寿态。可的命E由1能粒。较于实子所短激现会以，光
E3 E2
下能级不是基态，而是
激 下发激态光下E2，能所级以的在粒室子温数 E1
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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. dI (z) 1
dz I (z)
同时考虑增益和损耗，则有
dI(z) [g(I ) ]I (z)dz
当
g(I)

时，I m

(g0
)
Is

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