激光基本原理概述讲解

－能级21 跃迁的特征参数
A 21
dn 21 dt
sp
1 n2
A21
1
s
E2能级平均寿命
推导 A21 and s 的关系式
E2
dn2 dn21 n2
dt dt s
E1
n2
n et /s 20
dn2 dt
dn21 dt sp
A21
dn21 dt
sp
1 n2
A21n2
一、受激辐射占优势的条件 －粒子数反转分布n2 n1
E
反转分布 n2 n1 （population inversion）
常温下，Bolzman分布
n
n2
E2 E1
e KT
n1
f1 f2
n2 n1 粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大
实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质
以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例
External mirror
Flash lamp
External mirror Partly
transmission
Output bhenam
Ruby laser
694.3nm
Flash lamp
发光粒子－铬离子 (Cr3+) 泵浦光源－闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射 光放大形成激光
A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导
二、爱因斯坦关系式－ A21 、B21 和B12的关系
热平衡黑体 辐射公式
模密度
nn
n
8 n
c3
2
hn
hn
e KT
1
黑体辐射分配到 腔内每个模式的 平均能量
dn21 dt
sp
dΒιβλιοθήκη Baidu21 dt
st
dn12 dt
sta
A21n2 B21n n2 B12 n n1
n －单色能量密度 (J·m-3·s)
n
8n
c3
2
hn
hn
e KT 1
B12 and B21 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数
➢ B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关
➢ 受激辐射几率与辐射场的强度n 成正比 ➢ 能级21 and 12 的受激跃迁几率相等 即W12 W21 ➢ 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程 A12 0
粒子数反转分布是产生激光的前提条件
如何实现粒子数反转分布？
只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破 热平衡，实现粒子数反转
medium
Almost any energy source can be used as pump, even
r1 energy source r2 another laser.
玻尔兹曼分布
n2 f2 exp E2 E1 n1 f1 KT
n
A21 B21 B12
1
f1
hn
e kT
1
B21 f2
爱因斯坦关系
A21 B21
8hn 3
c3
nn hn
B12 f1 B21 f2
f1=f2
B12 B21
能级简并度 W12 W21
说明：
1. SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别 2. 两种辐射比较 (热平衡情况下)
E1
➢ 受频率为 n E2 E1 的光场作用
h
➢ 受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传
输
方向 ➢ 受激吸收几率 W12
W12
dn12 dt
sta
1 n1
W12 B12n
➢ 受激辐射几率 W21
W21
dn21 dt
ste
1 n2
W21 B21n
W12 B12n
W21 B21n
热平衡时，n2
f2 f1
n1
STA STE (受激)吸收占主导
因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减
4。. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光
起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自
发辐射
§1.3 激光产生的基本原理（概述）
激光产生的条件: (1) 粒子数反转分布
(2) 增益 > 损耗 即自激振荡的阈值条件
辐射频率n E2 E1
h
• 自发辐射 （Spontaneous Emission）。
主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关 ，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能 量分布在许许多多个模式上。
E2
E2
hn
hn
E1
E1
自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21
n2
n e A21t 20
hn
A21
1
s
• 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减
• 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命s呈倒数关
系
• s 可以通过实验测得，由 A21 =1/s可获得自发辐射几
率
• 受激跃迁
受激吸收 stimulated absorption (STA) E2 受激发射 stimulated emission (STE) hn
第一章 激光基本原理概述
• 按激光工作物质分类：
固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体（有机染料）激光器 • 一般激光器的三个主要组成部分： 激光工作物质、光学谐振腔、激励能源
Ruby：红宝石
/ru:bi/
§1.2 光的受激辐射（Stimulated Emission)
一、光和物质 (原子、分子、离子，统称粒子 )
答案：SPE（自发辐射）占绝对优势
Isp n2 A21hn Iste n2B21n hn
T=1500K,l=500nm 空腔
I ste I sp
B21 A21
n
c3
8hn 3
n
ehn
1
kT
1
2 109
3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下)
单位时间STE增加的光子数密度 W21n2 B21n n2 单位时间STA减少的光子数密度 W12n1 B12n n1
泵浦方法 1. 光学 a) 闪光灯；b) 其它激光器（如半导体激光器） 2. 电 a) 气体放电; b) 大能量电子束;
c) 注入电流 (产生电子-空穴对) 3. 化学反应 a) 火焰; b) 爆炸 4. 电离性辐射 a) 核弹 b) X-ray 5. Thermal oven ……
相互作用的三种过程
E2
E2
hn
hn
E2
hn
2hn
E1
E1
E1
自发辐射(SP)
受激吸收(STA)
受激辐射(STE)
(Spontaneous Emission) (Stimulated absorption) (Stimulated Emission)
E2 and E1 表示两个激发态 一个光子的能量 hn E2 E1