第八章现代光学基础

高次模式 TEMmn
第八章现代光学基础
TEM2
1
*8.7 激光器的种类
产生激光的两个必要条件： 1. 粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）
2. m 达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）
处于热平衡状态时有： n12n2' 1n21
按照玻尔兹曼定律：
B 21 B 12 B
A21 B
8h
c3
3
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8.3 粒子数反转
一、受激辐射和吸收
受激辐射
h
•
hE2 一个光子成两个光子 光放大
h
n 12 B1 u n
E1
但有外来光激励下，也同时会发生吸收，
n2 ' 1 B2u n 究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势？
如果有 A32>A31 A32>A21 ，则处于能态的原子数大大增加，
使 n2>n1，实现粒子数反转。
由于基态积聚大量原子，要实现粒子数反转，需要非常 强的外界输入（抽运）能量.
红宝石激光器
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三、四能级系统
E4
E3 —亚稳态
E2
E1 E3 、E2间粒子数反转分布，由于E2本身是激发态， 粒子数少，容易实现粒子数反转
自发辐射：自发地从高能态低能态，放出光子
•
E2 h
E1
自发辐射光子数：
E2E1h
只辐射特定频率 的光子
n21 A2n 12
n2 ：处于能级E2的原子数
A21：自发辐射爱因斯坦系
数 自发辐射是无规的（方向、初位相）
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受激辐射: 外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子
•
E2
h
h
h
E1
系统处于热平衡状态时：
要实现光放大
：n1n2, n12n2 ' 1
所以宏观效果是吸收， 外来光减弱
n2 n1 粒子数反转分布
实现粒子数反转条件：
外界输入能量
工作物质有合适的能级结构—激活介质 第八章现代光学基础
二、 三能级系统
n3
E3
A31 A32
•
h
E2—亚稳态
h
hE1 —基态
E3 激发态，寿命短 E3 E2 ，E3 E1
增益系数
8.5 激光的单色性
一、谱线宽度
实际发出的激光都不是单色的，有一定的频率范围
1. 自然线宽
—谱线宽度。
原子处于某一能级的寿命是有限的，相当辐射有限长波列
1
2. 多普勒展宽
：平均寿命
发光原子热运动，有一定的速度，由多普勒效应造成 3. 碰撞展宽
原子间碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽
He-Ne 激光器 632.8 nm
受激辐射光子数：
n2 ' 1 B2n 12u
B21—— 受激辐射爱因斯坦系数
受激辐射与外来光子具有相同频率、相同方向、 相同初位相和偏振态
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三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系
吸收
n 1 2B 1n 1 2 u
自发辐射 n21 A2n 12
受激辐射 n2 ' 1 B2n 12u
如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽
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8.6 激光的相干性
1. 时间相干性
1
相干长度：l=c
l c
2.空间相干性
激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成各 种不同形式的稳定分布，这种稳定分布称为激光束的横 向模式，简称横模。——由反射镜衍射引起
横模
低次模式 TEM00 ——高斯分布
自然线宽 ：103 Hz 多普勒展宽 ：109 Hz 第洛八章伦现代兹光展学基宽础 ：108 Hz
二、 谐振腔的共振频率和纵模
谐振腔——法布里-珀罗干涉仪
当 2nlk 透射（输出）干涉主最大
k c
2nl
n：工作物质折射率 ：共振频率
谐振腔作用：
1. 光振荡实现光放大。 2. 选频——激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模
激光: 是光受激辐射放大的简称，通过辐射的受激发射
而实现光放大。
激光器的种类:
固体激光器——1960年红宝石激光器（美国休斯实验室） 气体激光器——1961年He-Ne激光器（美国贝尔实验室)
半导体激光器——1962年砷化镓激光器 化学激光器——1964年 液体激光器——1966年无机液体 可调谐激光器——1975年有机液体 受激准分子激光器 ——1977年准分子激光器
吸收：外来激励下，原子由低能态高能态，吸收光子
h E2
E2E1h
•
E1 只吸收特定频率 的光子
从能级E1 E2 的原子数：
n 1 2n 1 u
N1 :处于能级E1的原子数
u()：光的辐射能密度
n 1 2B 1n 1 2 u B12 —受激吸收爱因斯坦系数 第八章现代光学基础
二、自发辐射和受激辐射
=பைடு நூலகம்
要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐 射光子数
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二、光学谐振腔
作用:
使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。
工作物质
激光输出
谐振腔
全反射镜 R1=100%
部分反射镜 R2=98%
只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大，这是 一种雪崩式的放大过程。
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三、光振荡的阈值条件
第八章 现代光学基础
第八章现代光学基础
内容
• 8.1 原子发光的机理 • 8.2 光与原子相互作用 • 8.3 粒子数反转 • 8.4 光振荡 • 8.5 激光的单色性 • 8.6 激光的相干性 • *8.7激光器的种类 • 8.9 全息照相 •8.10 光盘存储技术
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8.1 原子发光的机理
过程中有损耗： ：工作物质的吸收、散射等 反射镜反射率低于100%
必须要光放大大于损耗，才会有激光输出
I3 R1 I2
I0
L
R2 I1 R2 I1
经过一个来回 阈值增益： 阈值条件
I1 I0eL
I2 R2I1eL
I3 R1R2I1eL
I3/I0R1R2e2L
m
1 2l
ln 1 R1R2
m
实现光振荡而输出激光第八章现代光学基础 m
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基态：能量最低状态，最稳定；
激发态：能量较高状态，不稳定；
亚稳态：能量较高状态，比较稳定。
h EE34
••
E2
h
E1
E2-E1=h E2E3=h
发射光子 吸收光子
跃迁
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玻尔轨道
8.2 光与原子相互作用
一、吸收
光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用。
吸收 自发发射 受激发射
He-Ne 激光器 CO2 激光器
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8.4 光振荡
一、受激辐射和自发辐射
处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射
自发辐射 受激辐射
n21 n2A21
n2' 1 n2B21u
T=300K，
<< nn22' 11eh/1kT1~1012 受激辐射光子数
自发辐射光子数
T=50000K，