光电子学第2章(1)

1、2.1 粒子数反转与光放大2.2 光学谐振腔2.3 激光器基本结构与激光形成过程 2.4 激光的特性 2.5 激光器速率方程 2.6 介质的增益系数 第二章 光放大与振荡激光器原理2.7 激光振荡阈值条件 2.8 连续运转激光器的输出功率 2.9 脉冲运转激光器的输出功率 2.10 自由振荡激光器的模式 2.11 激光器的频率牵引2.12激光器的线宽极限2.1 粒子数反转与光放大 A21、B21、B12的相互关系 受激辐射的相干性 激光产生的必要条件受激辐射一、爱因斯坦关系hnchBA3321218221112gBgB21212121WvBhBnAv说明： 分配在一个模式上的受激辐射的几率等于

2、在此模式中的一个光子引起的受激跃迁几率。21122112WWBBg1=g2例：在热平衡条件下（如黑体），试比较自发辐射和受激辐射？3921321P14.5610P81stehkTspBcAhe hBnPhAnPstesp212212T=1500K,l=500nm 空腔例：在热平衡条件下，试比较受激吸收和受激辐射？112112221221nBnWnBnW1122 nggn 受激辐射使光子数增加，相反的，受激吸收吸收光子，降低光子数密度 STE: STA:( 热平衡条件下)STESTA结果说明：光通过介质时，光强将被吸收和消弱。思考题：对于激光的产生，受激辐射场的源头是哪里？二、受激辐射的相干性

3、自发辐射：是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。 受激辐射：是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而容易设想各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布，而应具有和外界辐射场相同的相位。 可以表述为：受激辐射光子与入射(激励)光子属于同一光子态；或者说，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式（同一光子态）。因而是相干的。 光放大概念的产生 实现放大的条件集居数反转 光放大物质的增益系数和增益曲线 三、激光产生的必要条件a、光放大概念的产生(激光器基本思想)封闭腔中光子简并度极低：开腔能够突出受激跃迁系数W21，抑制自发跃迁系数A21，从

4、而提高光子简并度 。开腔中的激活介质能对光进行受激辐射放大n21212121338AWABchvnvv图 光在介质中传播的物理图像* *光束在介质中的传播规律光束在介质中的传播规律图 光穿过厚度为dzdz介质的情况如图， 频率为 的准单色光射向介质，在介质中z处取厚度为dz、截面为单位截面的一薄层，在 dt t时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为：dtfzBndN)()(1211dt t时间内由于受激辐射增加的光子数密度为：dtfzBndN)()(2122)()(zIcz 为介质中z处传播着的光能密度，它与光强的关系为：)(z* *光束在介质中的传播规律光束在介质中的传播规律图 光穿过厚度为

5、dzdz介质的情况dzcfzBnggndtfzBnBndNdNdN)()()()()()(21112212121221dtdt为光经过为光经过dzdz所需要的时间，存在如下关系：所需要的时间，存在如下关系： ，并且有：并且有：dzcdzdt212121BgBg则光穿过则光穿过dzdz介质后净增加的光子数密度为：介质后净增加的光子数密度为：dzhcfBnggnddzhcfzBnggndNhd)()()()()(211122211122则光穿过则光穿过dzdz介质后光能密度的增加值为：介质后光能密度的增加值为：* *光束在介质中的传播规律光束在介质中的传播规律图 光穿过厚度为dzdz介质的情况dz

6、hcfBnggnd)()(211122解此微分方程得：)()exp()0()(211122zchfBnggnz)()exp()0()(211122zchfBnggnIzI上式即为光波穿过介质时光强随路程z的变化规律。b、实现光放大的必要条件集居数反转n2n1TkEEBenn1221在热平衡条件下，各能级上粒子数（集居数）服从玻尔兹曼统计分布： g1=g2介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为：介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为：1122gngn讨论 因为E 2E1，所以n2, 所以q一般有104106量级，即存在大量纵模。 Lcqq2Lcqqq21三、光腔的纵模多纵模振荡1

7、、腔内存在模式要形成稳定的振荡，还必须满足自激振荡条件：单程小信号G0l增益大于单程损耗，即：lG02、如果以T表示增益曲线高于阈值部分的频带宽度，则可能同时振荡的纵模数为： 1qTq讨论：当 ，激光器中至少有两个以上的纵模振荡。即多纵模振荡;物质的激发(泵浦)程度越高 ，则 ，(纵模振荡增加); 一定，增加的腔长 ， ，则 ，（纵模振荡增加） 激光光谱 ，由傅立叶变换关系： （双曲正割），知 ， ，要获得窄脉冲，激光光谱必须足够宽，即希望尽量多的纵数振荡。 1qTTqTLqqqq315. 0tt在某些应用，需要单频和稳频的激光。（精密计量，光通信、全息照相）三、光腔的纵模单纵模运转工作在阈值附近， ，使减小腔长 ， ，使纵模选择技术在激光技术中介绍。 T1qTLq1qT2.2 光学谐振腔 光学谐振腔的作用 光腔的纵模(横模) 自激振荡概念（损耗系数引入） 振荡条件-激光产生的充分条件2.2光学谐振腔 本节任务本节任务：理解腔阈