激光原理激光器基本结构VIP免费

激光原理激光原理按量子力学原理，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。E1E3E2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51234n激发态基态辐射跃迁和非辐射跃迁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;E2E1hEE12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.E2E13.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)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10-9S如H原子2p态0.1610-8S3p态0.5410-8S亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级(20.55eV)10-4S(19.77eV)10-6S高高能能级级低低能能级级热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，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玻尔兹曼分布律::kTEEeNN)(1212ENE2E1N1N22N1N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：2NdtdN自发21自发辐射过程(spontaneousradiation)E2E1N2N1h写成等式22121NAdtdN自发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。受激辐射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h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。则单位体积中单位时间内，从E２E１受激辐射的原子数：221)(NTdtdN、受激写成等式B21受激辐射系数22121)(NTBdtdN、受激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。22121NWdtdN受激则令W21=B21·（、T）受激辐射过程受激辐射过程趋近高能级趋近高能级EE22上的粒子时上的粒子时外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件::hEE/)(12感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级EE11发射一个全同光子发射一个全同光子((频率相同、频率相同、传播方向相同、传播方向相同、偏振方向相同）偏振方向相同）光放大E2E1N2N1h上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：112NT,dtdN吸收受激吸收过程（stimulatedabsorption）写成等式11212NWdtdN吸收B12吸收系数令W12=Ｂ12(、T)W12单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。11212NT,BdtdN吸收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。1233218BchAf2B21=f1B12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。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粒子数反转(populationinversion)22122121NWNT,BdtdN受激11211212NWNT,BdtdN吸收从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。必须N2>N1这...