激光原理激光器基本结构

f2B21 = f1 B12
A21
8 h
c3
3
B12
上述关系如何推导得出呢？
A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件 推导得出。
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定 了理论基础。
Postgraduate
思考： 物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？
提示：光学中谱的概念，
Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱
dN12 dt
吸收
,T
N1
Postgraduate
写成等式
dN 12 dt
吸收
B12
,T
N1
B12 吸收系数
令 W12=Ｂ12 ( 、T)
dN 12 dt
吸收
W12
N1
W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。
Postgraduate
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。 结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出
N2
粒子数分布反转 N2 N1
N1 视频
实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用
怎样才能实现粒子数反转呢？
粒子数反转状态
1）提供足够的外界激励能量； 2）原子在激发态多“呆”一会；
E2 E1
23
Postgraduate
光
的 1) 实现粒子数反转分布的条件
光
增
光激励
3p态 0.5410-8S
亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级
(20.55eV) 10-4 S
(19.77eV) 10-6 S
6
Postgraduate
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:
( E2 E1 )
N e 2
kT
N2
高 能 级
N1
E
低
E2
N1
能
级
E1
发射一个全同光子 (频率相同、
传播方向相同、 偏振方向相同）
感应跃迁至低能级E1
Postgraduate
光放大
Postgraduate
受激吸收过程（stimulated absorption ）
E2 N2
h
E1 N1
上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：
1.跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程
2.辐射跃迁: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)
①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁
至低能级;
E2
E2 E1
h
E1
②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁
至高能级.
E2
5
E1
3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)
E3 E2
E1
Postgraduate
n
能级: 粒子的内部能量值 高能级: 能量较高的能级 低能级: 能量较低的能级
基能级: 能量最低的能级
(相应的状态称基态）
激发能级: 能量高于基能 级的其它所有能级(相应 状态称激发态)
6
5 4 激发态 3
2
Postgraduate
基态 1
辐射跃迁和非辐射跃迁
N2
N1
N
Postgraduate
光与物质相互作用的三种过程
爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点 出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程： 自发辐射 受激辐射 受激吸收
Postgraduate
自发辐射过程(spontaneous radiation)
E2 N2
h
E1 N1
设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。 单位体积中单位时间内， 从E2 E1自发辐射 的原子数：
4.激发态的平均寿命 τ : 粒子在激发态停留时间的平均值τ的 典型 值: 10-7～10-9秒
5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射 跃迁, 则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒), 称亚稳能级,相应的态 为亚稳态。
一般，能级寿命 10-8 10-9 S
如H原子 2p态 0.1610-8 S
dN21 dt
自发
N2
Postgraduate
写成等式
dN 21 dt
自发
A21 N 2
Ａ21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐
射过程的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相 干光 。
Postgraduate
受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
因 B21=B12
W21=W12
必须 N2 >N1 这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转。
其中 N N2 N1 称为反转粒子数。
Postgraduate
通常情况下： N1 N2
B21 · (21) ·N1 B12 · (21) ·N2
受激吸收总是占优势 表现为光的吸收
为得到光放大,必须使 受激辐射占优势
Postgraduate
本节课主要内容
能级 跃迁 自发辐射 受激辐射 受激吸收
粒子数反转 三能级和四能级 激光器基本结构 纵模 横模
Postgraduate
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，这些定态称为原子的“能级”；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。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃 迁。
19
Postgraduate
粒子数反转 (population inversion) 从E2→E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能 引起吸收过程。
dN21 dt
受激
B21
,T
N2
W21 N 2
dN12 dt
吸收
B12
,T
N1
W12 N1
Postgraduate
产生激光必须 dN21 dN12 dt 受激 dt 吸收
Postgraduate
令
W21 = B21·（、T）
则
dN 21 dt
受激
W21
பைடு நூலகம்
N2
W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方 向均相同------有光的放大作用。
受激辐射过程
外来光子满足频率条件:
(E2 E1) / h
趋近高能级E2上的粒子时
h
E1 N1
全同光子
设 （、Ｔ）—温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，
单位频率间隔的外来光的能量密度。
Postgraduate
则单位体积中单位时间内，从E２ E１ 受激辐射的原子数：
dN21 dt
受激
(、T
)N2
写成等式
dN21 dt
受激
B21 (、T
)N2
B21受激辐射系数