光的受激辐射

光的受激辐射（StimulatedEmission)一、光和物质(原子、分子、离子，统称粒子)相互作用的三种过程自发辐射(SP)

E1E2hn(SpontaneousEmission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激辐射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)E2andE1表示两个激发态一个光子的能量辐射频率E1E2hnE1E2hn自发辐射（SpontaneousEmission）。主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。自发辐射几率(Spontaneoustransitionrate)A21

－能级21跃迁的特征参数E2能级平均寿命推导A21ands

的关系式E1E2hn

在自发辐射过程中，E2能级上粒子随时间按指数衰减自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命ts呈倒数关系

ts

可以通过实验测得，由A21=1/s可获得自发辐射几率

A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关

受激跃迁

受激吸收stimulatedabsorption(STA)

受激发射stimulatedemission(STE)hnE1E2

受频率为的光场作用

受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输方向受激吸收几率W12受激辐射几率W21－单色能量密度(J·m-3·s)受激辐射几率与辐射场的强度成正比能级21and12的受激跃迁几率相等即

受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数

B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射场无关A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导二、爱因斯坦关系式－A21、B21和B12的关系爱因斯坦关系热平衡黑体辐射公式玻尔兹曼分布模密度n黑体辐射分配到腔内每个模式的平均能量f1=f2能级简并度说明：SPE,STA,STE三种过程同时存在，只是有强弱差别

单位时间STE增加的光子数密度单位时间STA减少的光子数密度3.两种受激跃迁比较(热平衡情况下)T=1500K,l=500nm空腔2.两种辐射比较(热平衡情况下)SPE（自发辐射）占绝对优势4.自发辐射光子可作为引起受激辐射的外来光

起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发辐射因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。

激光产生的基本原理（概述）激光产生的条件:(1)粒子数反转分布(2)增益>损耗即自激振荡的阈值条件FlashlampFlashlampOutputbeamExternalmirrorExternalmirrorPartlytransmissionRubylaser694.3nm

发光粒子－铬离子(Cr3+)

泵浦光源－闪光灯,其作用是实现铬离子反转分布

光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射光放大形成激光以红宝石激光器(RubyLaser)为例一、受激辐射占优势的条件－粒子数反转分布（populationinversion）粒子数反转分布受激辐射占主导光放大实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质粒子数反转分布是产生激光的前提条件如何实现粒子数反转分布？

只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转En常温下，Bolzman分布反转分布r1r2mediumenergysourceAlmostanyenergysourcecanbeusedaspump,evenanotherlaser.泵浦方法

光学

a)闪光灯；b)其它激光器（如半导体激光器）电

a)气体放电;b)大能量电子束;c)注入电流(产生电子-空穴对)3.化学反应a)火焰;b)爆炸4.电离性辐射a)核弹b)X-ray5.

Thermaloven……二、受激辐射光放大

开放式谐振腔（Openresonatororcavity）

模选择提高光子简并度(Photondegeneracy)

激活介质中的增益

增益系数(gaincoefficient),增益饱和(gainsaturation)

增益曲线(gainprofile)

光子简并度开放式谐振腔的模选择增益系数(小信号、大信号、增益饱和)d.增益曲线(增益系数对于频率的分布)激光特性:单色性好、方向性好、光亮度

相干光(coherentlight)

自发辐射～非相干光－光子简并度很低受激辐射～相干光－光子简并度高

什么是光子简并度n

－衡量相干光的参量

具有相同能量和动量的光子数（也称同态光子数）同一模式中的光子数Photondegeneracy例：黑体辐射源（近似封闭腔）的光子简并度黑体辐射分配到每个模式的平均能量模密度nExample:T=300K=30cmn=103coherent=60mn=1;=0.6mn=10-35incoherent结论:黑体辐射在红外和可见光波段为非相干的模密度nn物理意义?(2)避免产生许多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一个或少数几个模内。(3)将封闭腔改为开放式谐振腔(1)最简单的开放式谐振腔是F-P腔轴向模F-P光谐振腔Closedcavity开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加,其它模式(非轴向)逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。

光谐振腔有选模作用，是构成激光器的主要部分。

0z增益介质

增益系数(GainCoefficient)与增益曲线

增益系数－描述激光工作物质放大特性的参数Dn(z)I(z)I00zdz薄层净STE光子数密度定义：单位长度介质中光强增大的百分比

若介质中Dn分布均匀,g(z)常数g0－小信号增益系数

光放大光被吸收透明*随着光强不断增大，增益系数是否能保持常数请考虑每一变化的物理原因？受激辐射使消耗反转粒子数增多（注意前提条件）反转粒子数饱和

增益饱和－大信号情况No!增益饱和g(I)

（GainSaturation)问题:何时会出现增益饱和？饱和光强

Is:其值由增益介质本身性质决定光强增大到一定程度,g

将随

I

的增大而减小小信号增益系数，常数，与I无关大信号增益系数，g(I)<g0增益饱和（饱和增益系数）增益曲线g(n)

－增益系数相对于频率的分布问题的提出：引起STE的外来光(自发辐射）不是单一频率，有一定的频率分布增益线宽Dn定义:增益曲线极大值的半高全宽(FWHM)ng(n)n0损耗系数a

激活介质中不仅存在增益，还有损耗g&a并存的介质中，光强的变化解微分方程并有dz薄层g&损耗系数－单位长度光强衰减的百分比负增益系数三、自激振荡器（引出激光阈值条件、极值光强等）

（1）自激振荡概念(电)自激振荡器必须具备的基本条件：同相；振幅平衡激光器光自激振荡器如何实现光的正反馈和稳定的振幅（光强）？光谐振腔增益和损耗达到平衡amplifierfeedbackr1r2ActivemediumPumpforproducinganinversion激光振荡的阈值条件I0Imgg0zzI0只要增益介质足够长，无论初始光强I0如何，通过增益饱和，总可以达到确定的极值光强Im

即自激振荡概念设增益介质无限长，且增益与损耗并存

激光器是否振荡与初始光强无关初始光强来自于自发辐射介质增益饱和作用使增益和损耗的平衡决定了激光的最后输出功率（2）如何使有限长增益介质成为“无限长”光放大器

沿着腔轴的光在腔内多次往返等效无限长放大器（3）自激振荡条件－激光振荡条件－阈值条件Indexofrefraction:hmediumlengthLr1r2I0I1

Thresholdcondition(阈值条件）光谐振腔:光学正反馈；同相位增益饱和：极值光强；稳定振幅

d－单程损耗，即单程渡越时腔内平均光强衰减的比值阈值条件阈值(自激振荡)条件是激光产生的必要条件，唯一地由激光器的损耗决定。

损耗是评价激光器的重要指标=d－激光腔内的平均损耗系数，包括激活介质、谐振腔及其它损耗例2．在红宝石Q调制激光器