高等激光物理学第一章

1、高等激光物理学高等激光物理学奚婷婷奚婷婷中国科学院研究生院物理学院中国科学院研究生院物理学院课程说明课程说明主要内容主要内容: 速率方程理论速率方程理论,半经典理论半经典理论 和全量子理论和全量子理论课程要求课程要求: 30%平时平时+70%笔试笔试office hour: 周一周一3、4节，节，N606联系方式联系方式: 课程说明课程说明参考书参考书: 2. 激光物理基础激光物理基础哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 王雨三，张中华王雨三，张中华 主编主编3. 激光物理激光物理北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社 卢亚雄，余学才，张晓霞编著卢亚雄，余学才，张晓霞编著4.Laser Th

2、eory Hermann Haken, Springer-Verlag, 1984 5.Principles of Lasers Orazio Svelto, Springer1.高等激光物理学高等激光物理学高等教育出版社高等教育出版社 李福利李福利 编著编著第一章第一章 激光器的基本概念激光器的基本概念激光器激光器:利用受激辐射实现光的放大利用受激辐射实现光的放大Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1917年年-爱因斯坦爱因斯坦-受激辐射发光过程的提出受激辐射发光过程的提出1954年年-汤斯汤斯-微波的

3、受激放大微波的受激放大1958年年-肖洛和汤斯肖洛和汤斯-推广到光学波段推广到光学波段1960年年 梅曼梅曼-红宝石激光器红宝石激光器1. 激光器的产生条件22,EN11,E N21hEE自发辐射受激辐射受激吸收21hEE21hEE光与物质相互作用光与物质相互作用1. 激光器的产生条件自发辐射自发辐射21212dNA N dtA21自发辐射系数自发辐射系数受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收12121dNB Ndt21212dNB NdtB21受激辐射系数受激辐射系数B12受激吸收系数受激吸收系数22,EN11,E N21hEE21hEE21hEE单位体积，单位体积，dt时间内，时间内，自发辐射的

4、粒子数自发辐射的粒子数单位体积，单位体积，dt时间内，时间内，受激辐射的粒子数受激辐射的粒子数单位体积，单位体积，dt时间内，时间内，受激吸收的粒子数受激吸收的粒子数A21, B21与与B12统称为爱因斯坦系数统称为爱因斯坦系数光能密度1. 激光器的产生条件爱因斯坦系数的关系爱因斯坦系数的关系 (A21, B21与与B12)T考虑一个达到热平衡的空腔系统考虑一个达到热平衡的空腔系统组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等空腔中的辐射场将有一个稳定的分布空腔中的辐射场将有一个稳定的分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布33/811hv kTh

5、vce普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式:空腔中频率为空腔中频率为的光能密度的光能密度3213218AhvBc121212B gB g组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等21dN21dN12dN212A N dt212B Ndt121B Ndt21/1212121211hv kTAB gBeB g211212121211ABNBBN/2211hv kTNgeNg各能级粒子数符合玻尔兹曼分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布1. 激光器的产生条件激光产生的条件受激辐射强于受激吸收受激辐射强于自发辐射自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收22,EN11,E

6、 N21hEE21hEE21hEE21212dNA N dt12121dNB Ndt21212dNB Ndt1. 激光器的产生条件粒子数反转粒子数反转受激辐射强于受激吸收受激辐射强于受激吸收受激辐射强于自发辐射受激辐射强于自发辐射212212122112121121121B NdtdNB NN gdNB NdtB NN g2211gNNg32122121321212218B NdtBdNcdNA N dtAhv（谐振腔）（谐振腔）增大增大激光是远离热平衡的系统激光是远离热平衡的系统2.激光器的基本结构激光器的基本结构工作物质工作物质激励装置激励装置激光输出激光输出反射镜反射镜反射镜反射镜2.

7、激光器的基本结构激光器的分类：运转方式：连续激光器和脉冲激光器工作物质：固体激光器，气体激光器，半导体激光器激励方式：光激励，放电激励激光的特性激光的特性: 高亮度高亮度, 单色性单色性, 方向性，方向性， 和相干性和相干性激光科学技术发展迅速激光科学技术发展迅速,涉及多个学科涉及多个学科,如光谱学如光谱学, 材料学材料学,医学等等医学等等.激光的广阔应用激光的广阔应用: 激光在加工激光在加工,测距测距,光通讯和核聚变光通讯和核聚变 等方面都有重要的应用等方面都有重要的应用.3. 光的放大光的放大增益光的放大增益光能密度光能密度 nh2121()dnNN Bdtdzcdt/2GGIc光强光强

8、单位时间单位体积内产生的光子数增加为：单位时间单位体积内产生的光子数增加为：212111()dIGNN B hI dzc 光强放大的增益：光强放大的增益：光场的增益：光场的增益：1 dIGI dz考虑谱线线型考虑谱线线型() 221212()( )8cGNNA g vv 2121vdINNhv Bg v dvdz( )g归一化的谱线线型函数归一化的谱线线型函数单色光单色光3213218AhvBc2121()dINN B hdz21DNN21()()dndncc NN nWDndtdz21()dnn NNdz221212/()( )8cGNNA g vv21()dII NNdz受激辐射截面受激辐

9、射截面光子数随时间的变化光子数随时间的变化3212( )8cWcA g vv受激辐射速率受激辐射速率反转粒子数反转粒子数1 dIGI dz非均匀加宽非均匀加宽 均匀加宽均匀加宽 2201( )2()(/2)Lg 202 ln2( )exp () 4ln2GDDg两种典型的线型两种典型的线型洛伦兹线型洛伦兹线型 高斯线型高斯线型D均匀加宽的谱线宽度均匀加宽的谱线宽度 多普勒线宽多普勒线宽 221224scGNNvvt 22122ln24D scGNNvv t vvg2)(01/202 ln2()Dg vv对中心频率，有对中心频率，有洛伦兹线型洛伦兹线型 高斯线型高斯线型21(1/)stA洛伦兹线

10、型洛伦兹线型 高斯线型高斯线型4.激光的纵模激光的纵模纵模纵模/2qqcL12qqqcL2qqL驻波驻波腔长腔长L腔的损耗、腔的损耗、Q值、寿命值、寿命 12RRR若二反射镜的反射率为若二反射镜的反射率为 单程时间为单程时间为 /L c(1)/cRL平均单位时间内的光强损耗平均单位时间内的光强损耗 dnndt 光子数随时间的变化光子数随时间的变化/00ct ttnn en e其中其中1/ct称为腔的寿命称为腔的寿命 谐振腔的谐振腔的 Q值为值为 /cQt （品质因数）（品质因数） 1/ (1)ctL cR5.光的振荡自激条件自激条件G光强的增益为光强的增益为Ll 令工作物质长度等于腔长，即令工作物质长度等于腔长，即1R2R反射镜反射镜1M2M的反射率为的反射率为i是腔内的损耗是腔内的损耗 10exp() iIIGL1M2M220exp2() iIR IGL3120exp2() iIR R IGL为了实现振荡，要求为了实现振荡，要求 30II1200exp2()iR R IGLI即即自激条件：自激条件：1K21RRexp2() iKGL其中其中激光器的临界条件：激光器的临界条件：12exp2() 1iR RGL1211