物理激光的基本原理及其特性

I
c
dI Idz
( Nu Bul
N1B1u )
h
c
I I0eGz
G
(Nu
gu g1
N1 )Bu1
h
c
N u1
Nu
gu g1
N1
• 辐射放大 Nu1 0 • 产生激光的必要条件：
•
工作物质处于粒子数反转分布状态
• 增益介质：
1.3 激光产生的充分条件
• 1.3.1.饱和光强的概念
• 饱和光强ＩＳ • 饱和长度ＬＳ
• 其中
Bu1 I s 1
c
u
8 2h h
IS
c2 Au1 u
u1 u
u1
c2
8 2
Au1
受激辐射截面
Au1
8h 3
c3
Bu1
G u1N u1
1.3.3 产生激光的充分条件
如果在增益介质的有效长度内光强可以从 微小信号增长到ＩＳ，则对激光来说是充分 的． 求有效长度
园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布
• 时间相干性：光源中同一辐射源在不同时 间辐射出的光束之间的相干性．
•
光波的相干时间:
c
1
2
• 谱线宽度越窄,或单色性越好,相干时间越长,即时 间相干性越好.
➢ 普通光源:谱线宽度1014Hz的量级 ➢ 单模稳频气体激光器： 10３Hz以上的量级
方向性与空间相干性
方向性
• 普通光源:4π
• 激光:毫弧度
总计
课时
12 8 7 4 8 6
45
考核方式
考试 • 平时(出勤+作业+平时表现) 20%
• 实验
30%
• 期末考试
50%
第1章 激光的基本原理及特性
• 1.1 激光的特性 • 1.2 激光产生的必要条件 • 1.3 激光产生的充分条件 • 1.4 谱线加宽 • 1.5 谱线加宽下的增益系数 • 1.6 激光器的速率方程
Nul Nu
设光辐射起源于介质一端长度为l的区域
• 单位时间内由自发发射产生的总辐射能
( A l)Nu Au1h
d A
4 4L2
• 令光强经介质放大后达到饱和光强
1 A (A l)Nu
Au1h
A
4L2
eGL
Is
光强等于单位截面的能量
•设
l 1 G
eGL ( 4L ) 2 da
• 例1.1 已知某激光工作物质增益系数为Ｇ ＝100m-1，长度Ｌ＝0.08m求满足产生激 光充分条件的da.
参考书目
➢ ⑴ 俞宽新等编著，《激光原理与技术》 北京工业大学出版社
➢ ⑵ 周炳琨等编著，《激光原理》 国防工业出版社
➢ ⑶ 陈玉清等编著，《激光原理》 高等教育出版社
➢ ⑷ 李相银等编著，《激光原理技术及应用》 哈尔滨工业大学出版社
教学组织方式与学时分配
• 利用多媒体授课
教学内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第六章 第七章
• 1.3.2 饱和光强的简单计算
• 当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为
dNu dt
Wu
N
u
1 (
u
Bu1I ) c
• 稳态时
Nu
1
u
Wu Bu1 I
c
Wu
Aul Bul
• 小信号情况 Nu Wu u
• 随光强Ｉ的增长，Ｎu减小，
• 使Ｎu 减小为小信号值的１／２时的光强为饱和光强
衍
D
2 衍
（
）2
D
空间相干性
发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.
➢ 相干面积
Ac
( )2
➢
相干长度
Lc
c c
c 2
➢
相干体积
Vc
Ac Lc
1 2
(
)2
c
高亮度
• 定义:光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射 的光功率.
• 截面为A的光源单色亮度
B
P
A ( )2
• 一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达1018
e5 148 400
• 微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和
1.4 谱线加宽
• 原子系统能级的弥散 • 1.4.1 概述 • 海森堡测不准关系
E h 2
h
2
Au
• 相干辐射的中心频率为
0
Eu0
E10 h
• 上下边频分别为
EuM
E1m h
• 谱线宽度为
Eum
E1M h
1 h
Nu0e
u
蓝宝石
u
1 Aul
表1.1
u
1 Aui
i
二.受激跃迁
(一)受激吸收
ρ
W1u B1u
( dNu dt
) ab
- dn dt ab
W1u N1
(二)受激辐射
Wu1 Bu1
( dNu dt
) st
dn
dt st
Wu1 N u
Biblioteka Baidu
三.Einstein辐射系数之间的关系
当三种过程都存在时 , Nu 总变化率为
W/cm2.sr,它比太阳表面的亮度2*103 W/cm2.sr要高15个数
量级
1.2 激光产生的必要条件
1.2.1 二能级系统的三种跃迁 ➢一、自发辐射 ➢二、受激跃迁 ➢三、Einstein辐射系数之间的关系
一.自发辐射
( dNu dt
) sp
Au1Nu
Eu E1
h
t
Nu (t)
N e Ault u0
dNu dt
( dNu dt
) sp
( dNu dt
) ab
( dNu dt
) st
B1u g1 Bu1 gu
或B1u
gu g1
Bu1
简并度
Au1
8h 3
c3
Bu1
1.2.2 激光产生的必要条件
光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增 量与单个光子能量的乘积
[I (z dz) I (z)]dA (Nu Bul N1B1u )hdAdz
eGL ( 4L ) 2 da
16( L )2 e8 2981 da
L 2981
da
4
d a 0.0059(m) 5.9mm
• 例已知Ｎd:YAG激光材料增益系数Ｇ＝ 10m-1，设材料长度Ｌ＝0.5m，直径 da=0.1m,试问小信号单次通过该介质光强 能否达到饱和？
( 4 0.5 ) 2 400 0.1
• 1.7 连续与脉冲工作 • 1.8 粒子数反转分布条件 • 1.9 激光放大的阈值条件 • 1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引 • 1.11 激光器的输出特性 • 1.12 激光器的泵浦技术
1.1 激光的特性
➢单色性 ➢方向性 ➢相干性 ➢高亮度
单色性和时间相干性
光源单色性的量度:频带宽度Δν
学习目的
• 通过学习掌握激光的基本原理及工作特性, 谐振腔理论,典型激光器,半导体激光器,激 光调Q技术和锁模技术,频率变换等.
课程内容
• 第1章 激光的基本原理及特性 • 第2章 光学谐振腔理论 • 第3章 典型激光器 • 第4章 半导体激光器 • 第5章 激光调制技术 • 第6章 调Q技术与琐模技术 • 第7章 激光频率技术
(Eu
E1)
1 (
2 l
Aui
j
A1 j )