光电子技术第三章第二节

3.3 激光产生的条件
必要条件： 粒子数反转分布 减少振荡模式数
充分条件： 起振条件 稳定振荡条件
3.3.1 必要条件 1. 粒子数反转分布
受激辐射与受激吸收的矛盾
受激辐射：光子数
受激吸收：光子数
1）粒子数正常分布： N1 N2 E2
B21 N2
B12 N1
E1 N2W21 N1W12 光强减弱
谐振腔两镜面反射率 R，1 R,透2 射率 ，T1，镜T2面其它损
耗 ，1 ，2 则：
R1 T1 1 1
R2 T2 2 1
强度 的I0光射入长L的谐振腔内充满增益系数 的G(激ν)活介质，
单程L后
I1 I0 expG(ν)L I0GL(ν) GL(ν) expG(ν)L
为单程增益，即光束经过激活介质一次所得的放大倍数。
2. 减少模式振荡数
R W21 A21
B21
A21
c3 8 h
eh
1
KT
1
例：T=300K时， R 1035
在热平衡情况下，光波辐射以自发辐射为主。
激光：高能、方向性很好、单色性很好 自发发射：方向发散，模式多样，——单色亮度难以很强。 解决办法：——开式光学谐振腔，激活介质+平行反射镜。
谐振腔轴向光束来回反射，某一方向得到放大——形成激 光振荡;偏轴角较大光束由侧面逸出激活介质，不能形成激光 振荡。
满足干涉相长条件的光得到加强，频率得到筛选——模式 数目减少。
(a)激活介质中的光 (b) 谐振腔中光的振荡
3.3.2 激光产生的充分条件
1. 起振条件——阈值条件 增益：受激放大
损失：镜面透射损失（ R2 ）1 ，镜面和腔内介质存在着吸收、 散射等，
——增益大于损失，光波放大，起振：振荡阈值条件。
增益饱和下陷
3.4 激光器的基本结构及输出
3.4.1 激光器的基本结构
激光工作物质——提供形成激光的能级结构体系，激光产生 的内因； 泵浦源——提供形成激光的能量激励，激光形成的外因; 光学谐振腔——为激光器提供反馈放大，提高激光强度、方 向、单色性。
1. 激光工作物质 工作物质：气体、固体、液体、半导体等； 原子、分子、离子、准分子发光。
E1
基态 （激光下能级）
红宝石中铬离子能级图
E1
受激吸收 泵浦
E3 108 s
E3
无辐射跃迁 放出能量
E2 103 s
（2）四能级系统
E4
Energy
Laser Radiation
E3
Fast transition
E2
Fast transition
Absorption
E1
(a) Nd:YAG激光器
(4)直接电子注入方式：半导体激光器直接电注入就可以完成粒 子数反转。
(b)氦氖激光器
N
四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少 甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。
2. 泵浦源 泵浦：在外界作用下，粒子从低能级进入高能级从而实现粒 子数反转分布的过程称为泵浦（激励）。 泵浦源：将粒子从低能态抽运到高能态的装置。 (1) 光激励方式：灯泵浦、LD泵浦、激光泵浦。
激光工作物质应至少具备三个能级。实际上激光工作物质 不外乎三能级或四能级结构。
（1）三能级系统
如： He，Ne，Ar，Nd2O3，CO2
例：红宝石：在人工制造的刚玉（ Al2O3）中，掺入少量
铬离子（Cr 3）构成晶体。起发光作用的是铬离子。
E3
激发态
非辐射跃迁
泵浦
E2
亚稳态 （激光上能级）
产生激光
原子系统一旦实现了粒子数反转过程，就变成了增益介质， 对外来的光而言就变成了放大器。
要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基 态）不够，至少需要一个可以使得粒子具有较长停留时间或较 小自发辐射几率的能级。——亚稳态能级。 亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长）
具有亚稳态的工作物质，能实现粒子数反转。
成正比
饱和光强 I s与物质性质有关
增益饱和效应：任一频率光强增大使增益曲线均匀下降。
2) 非均匀加宽
当一束频率为νa的激光束通过介质时，增益下降也只是对 νa
附近的频率而言，其它部分的增益没有变化,于是整个增益曲
线在ν νa 处形成了一个“洞”，且光强愈大，洞愈深。
任一频率的光强增大，只对它和附近频率的增益有影响。
I4 I0
激光振荡最起码条件： R1R2GL2 1
增益阈值：
G(ν)th
1 2L
ln
R1 R2
2. 稳定振荡条件——增益饱和效应 激光往返经过激活介质，强度随传播距离z的增加呈指数上
升。—— 是否无限制地增大？
当入射光强度足够弱时，增益与光强无关，是一个常数；
当入射光强增加到一定程度时，增益系数 G(ν, I )将随光强的
增大而减小——增益饱和效应----激光器的稳定振荡条件。
增益减小到等于损耗时，就建立了稳态的振荡，形成了 稳定的激光输出。
g
I(z)
g0
Im
I0
0
z0
z
谱线加宽机制不同，增益饱和规律则不同 1）光谱线均匀加宽时
当I不能忽略时，ν ν21的增益：
Gmax (ν21 ,
I
)
1
G0 I
Is
小信号增益G 0 与反转粒子数
往返一次光束强度变化过程
（忽略反射不完全外的其它损耗）：
I1 I0GL I3 I2GL
I 2 I1R2 I 4 I3 R1
于是 I4 I0R1R2GL2 光束在腔内往返一次的强度变化
I4ຫໍສະໝຸດ Baidu I0 ，多次振荡衰减，无法形成激光振荡； I4 I0，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。
产生激光振荡条件：
LD泵浦装置简单，泵浦光束与腔模匹配良好，阈值功率低， 效率高。
LD端面泵浦固体激光器
激光泵浦液体激光器
(2) 气体辉光放电或高频放电方式：大多数气体工作物质吸 收光谱多在紫外波段，用光激励技术难度大，效率低，故采 用气体放电中的快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子 数反转。
(3)化学反应方式：通过化学反应释放的能量完成相应粒子数 反转的泵浦方式，化学激光器就是这类泵浦方式。
2）粒子数反转分布（集居数反转）
N2 N1
E2
N 2W21 N1W12 E1
受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。
激光产生的必要条件之一：粒子数反转 激活物质：处于集居数反转状态的物质。
泵浦： （抽运、激励）
E 外界向物质提供能量
1
通过中间环节
E2
另外，还得使受激辐射大大超过自发辐射，使输出为相干光。