第二讲-激光原理-激光器基本结构

第二讲_激光原理_激光器基本结构第1页，共42页，2023年，2月20日，星期一本节课主要内容能级跃迁自发辐射受激辐射受激吸收粒子数反转三能级和四能级激光器基本结构纵模横模第2页，共42页，2023年，2月20日，星期一

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第3页，共42页，2023年，2月20日，星期一第4页，共42页，2023年，2月20日，星期一

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)

651234n激发态基态第5页，共42页，2023年，2月20日，星期一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;E2E1②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.E2E16第6页，共42页，2023年，2月20日，星期一3.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10-810-9S如H原子2p态

0.1610-8S3p态

0.5410-8S

亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级

(20.55eV)

10-4S(19.77eV)

10-6S

7第7页，共42页，2023年，2月20日，星期一高能级低能级热平衡时，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:ENE2E1N1N2第8页，共42页，2023年，2月20日，星期一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第9页，共42页，2023年，2月20日，星期一设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：自发辐射过程(spontaneousradiation)E2E1N2N1h第10页，共42页，2023年，2月20日，星期一写成等式

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。第11页，共42页，2023年，2月20日，星期一受激辐射(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。第12页，共42页，2023年，2月20日，星期一则单位体积中单位时间内，从E２

E１受激辐射的原子数：写成等式

B21受激辐射系数第13页，共42页，2023年，2月20日，星期一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。则令 W21=B21·

（、T）第14页，共42页，2023年，2月20日，星期一受激辐射过程趋近高能级E2上的粒子时外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级E1发射一个全同光子(频率相同、传播方向相同、偏振方向相同）光放大第15页，共42页，2023年，2月20日，星期一E2E1N2N1h上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：受激吸收过程（stimulatedabsorption）第16页，共42页，2023年，2月20日，星期一写成等式

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。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期一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。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。第18页，共42页，2023年，2月20日，星期一思考：物质的吸收谱和辐射谱如何形成的？提示：光学中谱的概念，第19页，共42页，2023年，2月20日，星期一Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱20第20页，共42页，2023年，2月20日，星期一粒子数反转(populationinversion)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。第21页，共42页，2023年，2月20日，星期一必须N2>N1这种状态称为粒子数反转或者集居数反转。因B21=B12

W21=W12产生激光必须

其中称为反转粒子数。第22页，共42页，2023年，2月20日，星期一受激吸收总是占优势表现为光的吸收通常情况下：N1N2B21·(21)·

N1B12·(21)·

N2

粒子数分布反转受激辐射占优势为得到光放大,必须使N2

N1视频第23页，共42页，2023年，2月20日，星期一实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的外界激励能量；2）原子在激发态多“呆”一会；24第24页，共42页，2023年，2月20日，星期一1)实现粒子数反转分布的条件电激励化学激励热激励光激励(A)激励(又称泵浦)光的光增益第25页，共42页，2023年，2月20日，星期一(B)合适的能级结构（合适亚稳态的存在）

光的光增益第26页，共42页，2023年，2月20日，星期一

三能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E2

于E1

间实现粒子数反转。光的光增益亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N27第27页，共42页，2023年，2月20日，星期一红宝石激光器的工作物质：红宝石——是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。光的光增益28第28页，共42页，2023年，2月20日，星期一

四能级系统

比三能级系统容易实现粒子数反转分布。光的光增益29第29页，共42页，2023年，2月20日，星期一

四能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3

于E2

间实现粒子数反转。光的光增益E4E13EN21N3NE0NE2N4亚稳态能级NEE4E12EN23N03E30第30页，共42页，2023年，2月20日，星期一Nd：YAG激光器是四能级系统31第31页，共42页，2023年，2月20日，星期一

氦氖气体激光器是四能级系统氖原子在间实现粒子数反转分布光的光增益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞电子碰撞激发电子碰激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移32第32页，共42页，2023年，2月20日，星期一产生激光的能级系统（1）

三能系统（2）四能级系统

三能级系统四能级系统红宝石激光器钕玻璃激光器33第33页，共42页，2023年，2月20日，星期一(1)

要有适当的激光工作物质(2)

要有外界激励源(3)要有激光谐振腔激光形成的基本条件激光形成的基本条件或激光器的基本结构产生激光的条件谐振腔的作用：（2）使激光产生极好的方向性。（空间）（3）使激光的单色性好。（频率）（1）维持光振荡，起到光放大作用。－正反馈34第34页，共42页，2023年，2月20日，星期一激光器的组成谐振腔工作物质激励系统激光器一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。35第35页，共42页，2023年，2月20日，星期一激光工作物质全反射镜半反射镜工作原理：out光放大原理谐振腔作用：正反馈和选择方向36第36页，共42页，2023年，2月20日，星期一一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。光学谐振腔的作用光学谐振腔激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：2nL=q=qc2nL

L:

腔长n:

气体折射率37第37页，共42页，2023年，2月20日，星期一振荡模式

是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。

m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。1.纵模能引起振荡的频率关系2.横模光场在横向不同的稳定分布。光学谐振腔38第38页，共42页，2023年，2月20日，星期一小结：产生激光的必要条件

ｌ.激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）

２.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）

３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）39第39页，共42页，2023年，2月20日，星期一(1)红宝石激光器聚光反射器红宝石棒触发电极氙闪光灯激光束无辐射跃迁E!E3E2激发态亚稳态基态泵浦550.0nm