2021-2022学年高二物理竞赛课件：激光器的基本结构

1、激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，激光产生的内因；泵浦源提供形成激光的能量激励，激光形成的外因；光学谐振腔为激光器提供反馈放大机制，提高受激辐射的强度、方向性、单色性。1. 激光工作物质 当工作物质中形成粒子数反转分布时，工作物质处于激活状态，光在此介质中传播时，就会获得放大作用。也就是说，原子系统一旦实现了粒子数反转过程，就变成了增益介质，对外来的光而言就变成了放大器。二能级系统： 光泵浦，引起受激吸收，使N1减小、N2增加；受激辐射，N2减小、N1增加，两过程同时进行，由于N1N2, 系统吸收光子，且N2增大，N1减小，最终N1= N2，吸收和受激发射

2、相等，二能级系统不再吸收光子自受激透射态。即便采用强光照射，受激吸收和受激辐射几率相同，无法实现粒子数反转。二能级系统即使有入射光等激励也不能实现粒子数反转分布，不能用作激光工作物质。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）不够，至少需要一个可以使得粒子具有较长停留时间或较小自发辐射几率的能级：亚稳态能级 （亚稳相对于稳定的低能态或基态而言。）激光工作物质应至少具备三个能级。实际上激光工作物质不外乎三能级或四能级结构 。典型三能级系统：1960年的第一台激光器外界激发使粒子从E1跃迁到E3。E3寿命很短（10-9s量级），粒子无法停留，很快通过非辐射驰豫过程跃迁到E2。E2是亚

3、稳态，寿命较长(10-3s量级），允许粒子停留。E1的粒子不断被抽运到E3，很快转到E2，在E2上大量积聚， 当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为（E2-E1）的入射光，则将产生光的受激辐射，实现光放大。三能级系统要在亚稳能级与基态能级之间实现反转，要把总粒子数的一半以上从E1搬运到E2，对激励源的泵浦能力要求很高，也就是说其激光阈值很高。反转分布机制 abc2022/9/6 四能级系统能级结构如图 (c)， E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁几率都很大； E3到E2、E3到E1的自发跃迁几率都很小，外界激发使E1上的粒子不断被抽运到E4，又很快转到亚稳态E

4、3，而E2留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子数反转，产生受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低，现在绝大多数的激光器都是四能级结构。 反转分布机制 abc介质一般处于粒子数正常分布状态，反转分布状态必须用外界能量来激励工作物质。在外界作用下，粒子从低能级进入高能级从而实现粒子数反转分布的过程称为泵浦。泵浦过程就是原子(或分子、离子)的激励过程。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。泵浦源是组成激光器的三个基本部分之一，是形成激光的外因。而激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。合适的激励方式和能量大小对激光效率产生重要影响。泵浦源从

5、直接完成粒子数反转的方式来分，主要有以下泵浦方式：(1)光激励方式：大多数固体激光器用一束自发辐射的强光或激光束直接照射工作物质，利用激光工作物质泵浦能级的强吸收性质将这种光能转化成激光能。(效率不高) 。 (2)气体辉光放电或高频放电方式：大多数气体激光器由于工作物质密度小，粒子间距大，相互作用弱，能级极窄，且吸收光谱多在紫外波段，用光激励技术难度大，效率低，故多采用气体放电中的快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子数反转。 (3)直接电子注入方式：半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转，且效率高。(4)化学反应方式：通过化学反应释放的能量完成相应粒子数反转的泵浦方式。化学激光器就是这类

6、泵浦方式，一般具有功率大的特点。 热激励、冲击波、电子束、核能等等都可能用来实现粒子数反转。泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定。泵浦方式 光学谐振腔是构成激光器的重要器件，它不仅为获得激光输出提供了必要的条件限制了可能的模式数目，同时还对激光的频率(高单色性)、功率(高亮度)、光束发散角(方向性好)及相干性等有着很大影响。 两平面镜构成的法珀腔是一种最简单的谐振控。实际情况中，根据不同的应用场合及激光器类型，可以采用不同曲率、不同结构的谐振腔。但不管是哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。 典型的稳定腔有法珀腔、共焦

7、腔等(如图(a)，(b)）。傍轴光线在这类谐振腔内往返多次而不至于横向逸出腔外。 (a)珐珀腔 (b)共焦球面腔 谐振腔1 设一对激光能级为E1和E2（g1=g2），两能级间的跃迁频率为（相应的波长为），能级上的粒子数密度分别为n1和n2，试求:1）当=3000MHz，T=300K时，n2/ n1=？；2）当=1um，T=300K时，n2/ n1=？；3）当=1um，n2/ n1=0.2时，T=？ 2022/9/6 2 0.5m时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K时，什么波长下自发辐射率相等？3 为使氦氖激光器(=632.8nm)的相干长度达到1km，它的单色性/是多少？（相干长度定义为L=c*t=c/ ）4 比较二能级系统中自发辐射与受激辐射的差异(画能级图)。2022/9/6 试利用玻尔兹曼分布公式以及普朗克公式推导爱因斯坦关系式。利用爱因斯坦关系式分析为什么二能级系统不能产生激光？（提示：dN2/dt=0）简述激光产生的两个必要条件。激光器的基本结构包括哪几部分？简述各部分在激光产生过程中的功能。2022/9/6 推论：热平衡下(n1n2)，大量粒子受激吸收至高能级，主要通过自发辐射返回低能级，不能