激光的基本原理及其特性

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《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
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§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿 单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
受激吸收总是占优势 为得到光放大,必须使 为得到光放大 必须使 受激辐射占优势 粒子数分布反转 N2 >> N1
N 1 N2
通常情况下： 通常情况下：Q N1 >> N2
表现为光的吸收
3.Einstein 3.Einstein辐射系数之间关系 Einstein辐射系数之间关系
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§1.2 激光产生的必要条件
（第一章）
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激光的受激辐射和自发辐射概念的提出
1900年普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐 年普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐 年普朗克用辐射量子化 射分布规律。 射分布规律。 1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。 年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。 年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设 1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体 年爱因斯坦从光量子概念出发， 年爱因斯坦从光量子概念出发 辐射的普朗克公式， 辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概 受激辐射和自发辐射。 念：受激辐射和自发辐射。
（第一章）
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光的受激辐射的特点
通过受激辐射， 通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到 光子简并度极高的相干光。激光器发光， 光子简并度极高的相干光。激光器发光，正是利用 受激辐射的上述特点。 受激辐射的上述特点。
（第一章）
受激辐射概率 W21 :
W21 = B21·ρ (ν21)
受激辐射跃迁示意图
受激辐射爱 因斯坦系数
dN u = Bu1 ρ (v, T ) N u dt
受激辐射几 率
Wu1 = Bu1 ρ (v, T )
（第一章）
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光的受激辐射和自发辐射的区别
原子受激辐射的 光与外来的引起 受激辐射的光有 相同的频率 频率、 相同的频率、位 相、偏振及传播 方向。 方向。
相干性好：相干长度,普通光源, 相干性好：相干长度,普通光源,几个厘米 激光, 激光,几十公里 用途:光的干涉、衍射实验，全息光学技术、激光光谱 用途:光的干涉、衍射实验，全息光学技术、 技术。 技术。 激光突破了传统光源的种种局限性，引起了现代光学应 激光突破了传统光源的种种局限性， 用技术的革命性发展。同时促进了包括化学、生物学、 用技术的革命性发展。同时促进了包括化学、生物学、 医学、工业加工与检测技术、军事等科学的迅速发展。 医学、工业加工与检测技术、军事等科学的迅速发展。
dNu = dt
B1u g1 = Bu1 gu 8π hν Au1 = Bu1 3 c
3
§1.2.2 激光产生的必要条件
条件或基础？ 光的受激辐射放大称为激光(条件或基础？) 条件或基础
•有一束能量为 hν 21 = E 2 − E1 的入射光子通 有一束能量为 过激活物质， 过激活物质，光的受激辐射过程超过受激吸 收过程，受激辐射占主导地位， 收过程，受激辐射占主导地位，光在激活物 质内部将越走越强， 质内部将越走越强，使该激光工作物质输出 的光能量超过入射光的能量， 的光能量超过入射光的能量，这就是光的放 大过程。激活物质类似一个光放大器。 大过程。激活物质类似一个光放大器。 ：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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第一章 激光的基本原理及其特性
§1.1 激光的特性
（第一章）
小结
1.1、激光的特性 、
方向性好 主要有三个特点： 主要有三个特点： 强度高
1、光的时间相干性与单色性 ∆v 、
相干时间与最大光程差。 相干时间与最大光程差。 谱线宽度与相干时间
单色性好 相干性好
Lc =τcC
1 τc = ∆v
结论: 光源的单色性越好，相干时间越长， 结论 光源的单色性越好，相干时间越长， 相干长度也越长。 相干长度也越长。
从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等） 从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到 的单色光的谱线宽度约为10 纳米（ 的单色光的谱线宽度约为10-2纳米（频带宽度 1014Hz），单色性最好的氪灯（86Kr）的谱线宽 ），单色性最好的氪灯（ Kr） ），单色性最好的氪灯 纳米。而氦氖激光器发射的632.8 度为4.7 4.7× 度为4.7×10-3纳米。而氦氖激光器发射的632.8 纳米激光的谱线宽度只有10 纳米（ 谱线宽度只有 纳米激光的谱线宽度只有10-9纳米（频带宽度 103Hz） 。滤波片能否实现普通光源频带变窄? ） 滤波片能否实现普通光源频带变窄?
（第一章）
• 原子吸收、释放能量的方法 原子吸收、
• 能级结构非常复杂，二能级系统 能级结构非常复杂，
按量子力学原理， 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不 连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射） 连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都 只能在某两个定态之间进行。 只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的 变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中， 变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中， 存在三种类型的跃迁。 吸收、自发辐射和受激辐射。 存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激辐射。
E2
入射光
hv
E2 E1
hv hv
E1
受激吸收跃迁示意图
受激辐射示意图
光的受激吸收 当原子系统受到外来的 能量为 hν 21 的光子作用 下，如果 hν 21 = E 2 − E1 ， 则处于低能级 E1 上的 原子由于吸收一个能量 为 hν 21 的光子而受到激 发，跃迁到高能级 E 2 上去的过程。 上去的过程。
图1-6 理想锁模可获得窄脉冲激光
激光光源使光能量在时间和空间上高度集中， 激光光源使光能量在时间和空间上高度集中， 毫米） 能在直径极小的区域内（ 能在直径极小的区域内（10-3毫米）产生几百 万度的高温。从一个功率为1kw的CO2激光器发 万度的高温。从一个功率为1kw的 1kw 出的激光束经过聚焦以后， 出的激光束经过聚焦以后，在几秒钟内就可以 5cm厚的钢板烧穿 厚的钢板烧穿。 将5cm厚的钢板烧穿。工业上利用激光高亮度 的特性，在金属钻孔、焊接、切割、 的特性，在金属钻孔、焊接、切割、表面热处 理、表面氧化等方面的应用近年来有很大的发 展。
（第一章）
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原子的能级
• 基态
• •
激发态
电子只能处于分立的能级， 电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时， 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差， 特 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： ∆E = E2 -E1 = hν 与其他原子相碰撞 电磁辐射的吸收与发射
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受激吸收的特点
原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关 原子的受激吸收几率与外来光辐射能量密度有关
（第一章）
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光的受激辐射
入射光
hν = E 2 − E 1
入射光 受激辐射光
光的受激辐射： 光的受激辐射：当原子受 外来的能量为 hν 21 的光子 激励下， 激励下，从高能级 E 2 跃 迁到低能级 E1 ，原子发射 一个与外来光子一模一样 一个与外来光子一模一样 的光子的过程。 的光子的过程。
受激辐射爱因斯坦系数
在光场ρ (ν21)作用下, 作用下, 单位时间、 单位时间、单位体积内受 激辐射产生的光子数为: 激辐射产生的光子数为: B21 · ρ (ν21)· N2 同时存在 受激吸收 如果跃迁概率相等: 如果跃迁概率相等: 受激辐射
B21 · ρ (ν21)= B12 · ρ (ν21)
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ρ (ν 12 ) : 外来光场中频率ν 12 的能量密度
dN u dn ( ) ab = −( ) ab = W1u N1 dt dt = B1u ρ (v, T ) N1
受激跃迁爱 因斯坦系数
W1u = B1u ρ (v, T )
受激跃迁几 率
（第一章）
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C λ 2 Vc = A Lc = ⋅ ( ) c ∆v ∆θ
普通光源向四面八方发射能量， 普通光源向四面八方发射能量，其能量分布在全空间 4π立体角内。而激光发散角很小，一般为10-5～10-8 立体角内。而激光发散角很小，一般为10 球面度。 球面度。 定位、测距、导航等。 定位、测距、导航等。 用光学仪器能否实现窄光束? 用光学仪器能否实现窄光束?
2、空间相干性与方向性 、
空间相干性是指同一时刻两个不同空间点 的光波场之间的相干性。 的光波场之间的相干性。 光源： 光源： A ≤ ( λ )2 c ∆θ 说明： 说明： 10、在张角∆θ内，满足上式的光源才具有 张角∆θ ∆θ内 相干性。 相干性。 20、光源的面积越小，其相干性越好。 光源的面积越小， 相干性越好。 完
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自发辐射的特点
原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界 辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态 和传播方向杂乱无章 光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定 的偏振状态。
（第一章）
2.受激跃迁 2.受激跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
当原子受到能量密度为ρ 当原子受到能量密度为ρ，频率为 hν 21 = E 2 − E1 的光场作用下，原子的跃迁方式有两种： 的光场作用下，原子的跃迁方式有两种：受激吸 收和受激辐射。 收和受激辐射。
1. 自发跃迁 高能级上的粒子 自发地 跃迁
自发辐射光
低能级 辐射出的光子能量： 辐射出的光子能量： hν u1 = Eu − E1
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
自发辐射跃迁
自发辐射爱 因斯坦系数
dN u ( ) sp = − Au1 N u dt
dN u 1 ) sp ⋅ Au1 = −( dt Nu
（第一章）
dN u ( ) sp = − Au1 N u dt
t时刻的上能级粒子数：N 时刻的上能级粒子数：
激发态的寿命
u
(t ) = N u 0 e
− Au u = Au1 1 τu = ∑ Aui
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