《光电子技术》课件：§１.4 激光原理.ppt

1、第第章章 光辐射与发光源光辐射与发光源本本 章章 概概 述述 电磁波谱与光辐射 （1-1）掌握电磁波的性质和光辐射的特点 辐射度学与光度学基本知识 （1-2）理解七个辐射量和光度量的概念 热辐射基本定律 （1-3） 掌握三个定律和三个公式 激光原理 （1-4）掌握激光产生的物理机制 典型激光器 （1-5）了解几种常见激光器1.4 激光原理激光原理1.4.1 激光及其特性激光及其特性1.4.2 激光器的发展历史激光器的发展历史1.4.3 光辐射量子理论光辐射量子理论1.4.4 激光产生的必要条件激光产生的必要条件1.4.5 激光器的基本结构激光器的基本结构2022-3-5 1.4.1 激光及其特

2、性激光及其特性 Laser： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光激光：在一定条件下，光与粒子（原子、分：在一定条件下，光与粒子（原子、分子或离子）系统相互作用而产生的子或离子）系统相互作用而产生的受激辐射受激辐射光放大光放大 。2022-3-5 激光的特性激光的特性与普通光源相比，激光具有以下特点：与普通光源相比，激光具有以下特点：1. 单色性好单色性好： 氪灯（氪灯（ =4.7*10-4nm ） vs 氦氖激光器（氦氖激光器（ = 2*10-9nm ）2. 方向性好方向性好：探照灯（探照灯（ 0.1 rad）

3、vs 激光器（激光器（ mrad）3. 亮度高亮度高：亮度：光源在单位面积上向某一方向单位立体角内发射的光功亮度：光源在单位面积上向某一方向单位立体角内发射的光功率率太阳表面（太阳表面（2 103W/cm2 sr（球面度）（球面度） vs 红宝石激光器红宝石激光器（ 1011W/cm2 sr ）2022-3-5 4. 相干性好相干性好：相干性相干性：不同时刻或不同空间位置光场之间的相：不同时刻或不同空间位置光场之间的相关性关性空间相干性空间相干性：某个时刻，在空间不同点上的光场：某个时刻，在空间不同点上的光场之间的相关性。之间的相关性。光束的光束的发散角发散角越小，空间相越小，空间相干性越好。

4、干性越好。时间相干性时间相干性：在空间某点上，不同时刻光场之间：在空间某点上，不同时刻光场之间的相关性。的相关性。单色性单色性越好，时间相干性越好。越好，时间相干性越好。相干时间相干时间： 相干长度相干长度：氪灯（氪灯（Lc78cm） vs 氦氖激光器（氦氖激光器（Lc200km）2022-3-5 1/cccLc激光的特性激光的特性 1916年，美国年，美国 爱因斯坦爱因斯坦，提出概念，指明获得途，提出概念，指明获得途径径 (关于辐射的量子理论关于辐射的量子理论) 1954年，美国年，美国 汤斯汤斯（C.H.Townes），研制成功），研制成功MASER(微波激射器微波激射器)， 1958年，

5、美国和前苏联科学家几乎同时提出了年，美国和前苏联科学家几乎同时提出了实现实现激光振荡的具体设想激光振荡的具体设想： 美国美国 肖洛肖洛（A.L.Schawlow）/汤斯汤斯（C.H.Townes）：）：红红外和光学振荡器外和光学振荡器） 前苏联前苏联 巴索夫巴索夫（N.G.Basow）/普洛霍夫普洛霍夫（M.Prohorov）：实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议1.4.2 激光器发展历史激光器发展历史 1960年，美国年，美国 梅曼梅曼(T.H.Maiman)， 红宝石激光红宝石激光器器问世（波长问世（波长694.3nm） 从理论到实现历时从理论到

6、实现历时44年，原因有二：年，原因有二： 当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意，助部门的注意， 学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键找到技术关键 1960年秋，美国年秋，美国 Javan等等 1.15 m连续振荡连续振荡He-Ne气体激光器气体激光器。 1962年，美国年，美国 Nathan、Hall和和Quist 在在77K（-196.15）温度下成功制成）温度下成功制成GaAs（砷化镓）（砷化镓）半半导体激光器导体激光器。2022-3-5 1966年，年，Sorokin 等等 激

7、光泵浦若丹明激光泵浦若丹明6G宽可见光区域宽可见光区域可调谐液体有机染料激光器可调谐液体有机染料激光器。 1966年，美国年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等等 低温低温工作工作窄带半导体近红外可调谐激光器窄带半导体近红外可调谐激光器。 1970年，美国年，美国 Lin等等 双异质结连续振荡半导体激光器双异质结连续振荡半导体激光器。 1980年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光年后，等离子体激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反馈纤激光器、分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格发射激光器、分布布拉格发射(DBR)激光器、超快激光器、自由电子激光器以及随机

8、激光器、超快激光器、自由电子激光器以及随机激光器等相继问世。激光器等相继问世。 波长：红外、可见光、紫外、极紫外乃至波长：红外、可见光、紫外、极紫外乃至x射线射线 峰值功率：峰值功率：100TW（1TW=1012W）量级）量级 最高平均功率：最高平均功率：MW（1MW=106W）量级）量级 调谐范围：从调谐范围：从200nm延伸到延伸到4 m。1.4.3 光辐射量子理论光辐射量子理论2022-3-5 爱因斯坦爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说，提出了能量子假说，提出了光量子理论光量子理论：光是一光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本种以光速运动的光子

9、流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足满足能量公式能量公式和和质能方程质能方程。光子具有两个。光子具有两个独立的偏振态，具有自旋独立的偏振态，具有自旋。三种原子跃迁过程三种原子跃迁过程 在普朗克用辐射量子化假设成功地解释了在普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，以及波尔提出原子中黑体辐射分布规律，以及波尔提出原子中电子运动状态量子化假设的基础上，爱因电子运动状态量子化假设的基础上，爱

10、因斯坦从斯坦从光量子概念光量子概念出发，重新推导了黑体出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并认为光和物质中原辐射的普朗克公式，并认为光和物质中原子的相互作用过程包含原子的子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃自发辐射跃迁迁、受激辐射跃迁受激辐射跃迁与与受激吸收跃迁受激吸收跃迁三种过三种过程。程。2022-3-5 2022-3-5 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 自发辐射自发辐射：处于高能级态：处于高能级态E2的原子自发跃的原子自发跃迁到低能级态迁到低能级态E1，并同时向外辐射出一个，并同时向外辐射出一个光子。光子。式中，式中，h：普朗克常数，普朗克常数， h =6.62610-34J s v21：跃

11、迁产生的光波频率。：跃迁产生的光波频率。2121hEE自发辐射跃迁自发辐射跃迁 自发辐射概率自发辐射概率：单位时间内从高能级态：单位时间内从高能级态E2上发生自发上发生自发辐射的原子数密度占高能级总原子数密度的比值。辐射的原子数密度占高能级总原子数密度的比值。 其中其中N21：高能级上发生自发辐射的原子数密度，：高能级上发生自发辐射的原子数密度， N2：高能级上总的原子数密度。：高能级上总的原子数密度。 A21代表每个原子在单位时间内代表每个原子在单位时间内E2E1能级的自发辐射能级的自发辐射几率，又称几率，又称自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数。 A21完全由原子完全由原子系统的两特定

12、能级特性决定，与外界信号无关系统的两特定能级特性决定，与外界信号无关一定原子的特定能级，一定原子的特定能级，A21是定值是定值；2022-3-5 212121spdNAdtN2022-3-5 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 自发辐射自发辐射的特点是：的特点是：这种过程与外界作用这种过程与外界作用无关。无关。各原子的辐射都是独立地进行。因各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同，不同光波列是不相干的，方向等都不同，不同光波列是不相干的，其相干性、单色性、方向性都很差。其相干性、单色性、方向性都很差。 普通光源普通光源发光就是发光

13、就是自发辐射自发辐射。自发辐射跃迁自发辐射跃迁 自发辐射寿命自发辐射寿命： 单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内，E2上减少的原子数量为：上减少的原子数量为： 于是有：于是有： s 称为称为E2 能级的自发辐射寿命能级的自发辐射寿命2022-3-5 221212spdNdNANdtdt 2202120exp()exp()stNNAtN211sA自发辐射跃迁自发辐射跃迁 自发辐射寿命自发辐射寿命的物理意义：经过的物理意义：经过 s后，后，E2上上的原子数密度的原子数密度N2减少到初值减少到初值 N20的的1/e倍。倍。 s 越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留时间越长。上逗留时间越长

14、。 s无穷大时，称无穷大时，称E2为为稳态稳态 s 较长的能态称为较长的能态称为亚稳态亚稳态2022-3-5 2022-3-5 受激辐射跃迁受激辐射跃迁 受激辐射受激辐射：处于高能级态处于高能级态E2的原子在频率的原子在频率 21=（E2-E1）/h 的外界光作用下跃迁到的外界光作用下跃迁到E1，同时辐射出，同时辐射出能量为（能量为（E2-E1）、且与外界光信号、且与外界光信号同一状态同一状态的光的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，

15、这一过程称为运动状态相同的光子，这一过程称为受激辐射受激辐射。2022-3-5 受激辐射概率受激辐射概率：在频率：在频率 21=（ E2 -E1 ）/h 的外界光信号作用下，单位时间内从高能的外界光信号作用下，单位时间内从高能级态级态E2 跃迁到低能级态跃迁到低能级态E1的原子数密度的原子数密度N21与高能级与高能级E2 上总的原子数密度上总的原子数密度N2 之比的比之比的比值。值。受激辐射跃迁受激辐射跃迁为为爱因斯坦受激辐射系数爱因斯坦受激辐射系数, 只与粒子本身的性质只与粒子本身的性质有关。有关。21B）(为辐射场能量密度为辐射场能量密度2N 为为E2能级上的粒子数密度能级上的粒子数密度,

16、2121212121()stdNWBNdt 2022-3-5 受激辐射跃迁受激辐射跃迁 受激辐射的特点受激辐射的特点是：这种过程是在外界光子的是：这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同的输入一个光子，可以得到两个状态完全相同的光子输出。并且这两个光子可再作用于

17、其他原光子输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是同的光子。这便是受激辐射的光放大原理受激辐射的光放大原理。 激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点，激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点，所以激光具有所以激光具有单色性好单色性好、方向性好方向性好、亮度高亮度高以以及及相干性好相干性好的特点。的特点。2022-3-5 受激吸收跃迁受激吸收跃迁 受激吸收受激吸收：处于低能级态：处于低能级态E1的原子在频率的原子在频率为为 21=（E2E1）/h 的辐射场作用下吸收一的辐射场作用下吸收一个光子，并跃迁高能级

18、态个光子，并跃迁高能级态E2 的过程。的过程。2022-3-5 受激吸收跃迁受激吸收跃迁 受激吸收概率受激吸收概率：由于受激吸收，单位时间由于受激吸收，单位时间从从E1能级跃迁到能级跃迁到 E2 能级的原子数密度能级的原子数密度N12与与E1能级总原子数密度能级总原子数密度N1的比值。的比值。为为爱因斯坦受激吸收系数爱因斯坦受激吸收系数, 只与粒子本身的性质只与粒子本身的性质有关。有关。12B( ）为辐射场能量密度为辐射场能量密度1N 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度, 12121221t11(sdNWBNdt ）爱因斯坦关系爱因斯坦关系 大量粒子构成的粒子体系大量粒子构成的粒子体

19、系(如原子或分子等如原子或分子等)中，中，三种跃迁同时存在三种跃迁同时存在。E2自发辐射的能量自发辐射的能量(E2-E1) 的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使使E1上粒子发生受激吸收，使上粒子发生受激吸收，使E2上粒子发生受上粒子发生受激辐射，激辐射，三种过程相互联系三种过程相互联系，这种相互联系，这种相互联系可由表示原子特定能级可由表示原子特定能级E1、E2特性的参数特性的参数A21、B21、B12来表示。来表示。 爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一原子系统两特定能级设一原子系统两特定能级E1、E2简并度简并度分别为分别为g1、g2，在温度在温度T

20、下处于热平衡状态，下处于热平衡状态， E1、E2能级原能级原子数密度分别为子数密度分别为N1、N2 。 原子系统从吸收能量（原子系统从吸收能量（E2-E1）后，单位时间内）后，单位时间内通过通过受激吸收受激吸收从从E1 跃迁到跃迁到E2 能级的原子数为：能级的原子数为： 处于处于E2上的原子，单位时间通过上的原子，单位时间通过自发辐射自发辐射与与受受激辐射激辐射跃迁至跃迁至E1上的原子数为：上的原子数为： 由于系统处于由于系统处于热平衡状态热平衡状态，则应有以下关系式，则应有以下关系式成立：成立：1212211NB N212121212NABN1221NN 即即 211212121212 BN

21、A BN因而有：因而有： 211221212121 BNNA B又由于在热平衡状态下，又由于在热平衡状态下， N1 、 N2 按照玻尔兹曼分布按照玻尔兹曼分布： 22212111expe p1xNgEEhNgkTkT式中，式中，k为玻尔兹曼常数。于是有：为玻尔兹曼常数。于是有：212112121212121exp1A BghBBgkT3212132181exp1h hckT式中式中c为真空中光速，于是比较两式，可知：为真空中光速，于是比较两式，可知：121212B gB g321213218AhBc此两式即为著名的此两式即为著名的爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式。若若 E1 、E2 两能级简并度相

22、等，即两能级简并度相等，即 g1=g2 ，则爱因斯，则爱因斯坦关系式可简化为：坦关系式可简化为： 1221BBB32138hABc在热平衡条件下，光辐射的能量密度在热平衡条件下，光辐射的能量密度 ( 21) 又可由又可由普朗普朗克公式克公式给出：给出：讨论：讨论：1）受激吸收与受激辐射比较）受激吸收与受激辐射比较121221211()WBWB受激吸收几率等于受激辐射几率因因n1n2，故：，故：结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激辐射返回低能级的粒子数很少。过受激辐射返回低能级的粒子数很少。122211BgBg3213218AhBc

23、爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式11211221221(nW nnnW nn受激吸收粒子数远大于受激辐射粒子数)2.1.4 激光产生的必要条件激光产生的必要条件设设g1=g2=1, 则：则：2）自发辐射与受激辐射比较）自发辐射与受激辐射比较33811hkThce热平衡下2121/212111()hkTBWnAAen受激辐射的概率是自发辐射概率的 倍3212132121,8BWcAAh 122211BgBg3213218AhBc 爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式n其中 称为描述处于同一光子态的平均光子简并度，光子数量。室温下，普通辐射源的室温下，普通辐射源的光子简并度光子简并度1n 2121/21211

24、11hkTBWAAe2121/212111()hkTBWnAAen受激辐射的概率是自发辐射概率的 倍跃迁粒子数之比：跃迁粒子数之比： 221221221221()1()nW nWnA nA受激自发结论：热平衡下结论：热平衡下, 受激辐射概率受激辐射概率(或粒子数或粒子数)远小于自远小于自发辐射概率发辐射概率(或粒子数或粒子数)。推论：推论：热平衡下热平衡下(n1n2)，大量粒子受激吸收至高，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，不能有效产能级，主要通过自发辐射返回低能级，不能有效产生激光（受激辐射的光放大）。生激光（受激辐射的光放大）。产生激光的两个必要条件：产生激光的两个必要

25、条件：第一，使系统处于非热平衡态第一，使系统处于非热平衡态(n1N2, 系统吸收光子，且系统吸收光子，且N2增大，增大，N1减小，最终减小，最终N1= N2，吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光子子自受激透射态自受激透射态。即便采用强光照射，受激吸收。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。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。数反转分布，不能用作激光工作物质。要产生激光，工作物质只有要产生激光，工作物质

26、只有高能态（激发态）高能态（激发态）和和低能低能态（基态）态（基态）不够，至少需要一个可以使得粒子具有较不够，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：长停留时间或较小自发辐射几率的能级：亚稳态能级亚稳态能级 （亚稳相对于稳定的低能态或基态而（亚稳相对于稳定的低能态或基态而言。）言。）激光工作物质应至少具备激光工作物质应至少具备三个能级三个能级。实际上激光工作物质不外乎实际上激光工作物质不外乎三能级三能级或或四能级四能级结构结构 。典型典型三能级系统三能级系统：1960年的第一台激光器年的第一台激光器外界激发使粒子从外界激发使粒子从E1跃迁到跃迁到E3。E3寿命很短（寿

27、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是亚稳态，寿命较长是亚稳态，寿命较长(10-3s量级），允许粒子停留。量级），允许粒子停留。E1的粒子不断被抽运到的粒子不断被抽运到E3，很快转到，很快转到E2，在，在E2上大量积聚，上大量积聚， 当把一半以上的粒子抽运到当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了，就实现了粒子数反转分布粒子数反转分布，此时若有光子能量为（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。）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

28、级之间实现反转，要把总粒子数的一半以上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从E1搬运到搬运到E2，对激励源的泵浦能力要求很高，也就是说其，对激励源的泵浦能力要求很高，也就是说其激光阈值很高激光阈值很高。反转分布机制反转分布机制 abc2022-3-5 四能级系统四能级系统能级结构如图能级结构如图 (c)， E4到到E3、E2到到E1的无辐射跃迁几率都很大；的无辐射跃迁几率都很大； E3到到E2、E3到到E1的自发跃迁几率都很小，的自发跃迁几率都很小，外界激发使外界激发使E1上的粒子不断被抽运到上的粒子不断被抽运到E4，又很快转到，又很快转到亚稳态亚稳态E3，而

29、，而E2留不住粒子，因而留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子很容易形成粒子数反转，产生受激辐射。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，四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低激光阈值很低，现在绝大多数的激光器都是四能级结构。现在绝大多数的激光器都是四能级结构。 反转分布机制反转分布机制 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。用外界能量来激励工作物质。在外界作用下，粒子从低在外界作用下，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能级进入高能级从而实现粒子数反转分布的过

30、程称为泵泵浦浦。泵浦过程就是原子泵浦过程就是原子(或分子、离子或分子、离子)的的激励激励过程。过程。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源泵浦源或或激励源激励源。泵浦源是组成激光器的三个基本部分之一，是形成激光泵浦源是组成激光器的三个基本部分之一，是形成激光的的外因外因。而激光器是一个。而激光器是一个能量转换器件能量转换器件，它将泵浦源输，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对激光效率效率产生重要影响。产生重要影响。2. 泵浦源泵浦源从直接完成粒子数反转的方式来分，主要有以

31、下泵浦方式：从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：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。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。(效率不高效率不高) 。 (2)气体辉光放电或高频放电方式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：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，用光激励技术难子间距大，相互作用弱，能级极

32、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度大，效率低，故多采用气体放电中的快速电子直接轰击快速电子直接轰击或或共振能量转移共振能量转移完成粒完成粒子数反转。子数反转。 (3)直接电子注入方式直接电子注入方式：半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转，且效：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。率高。(4)化学反应方式化学反应方式：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。：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泵浦方式，一般具有功率大的特点。化学激光器就是这类泵浦方式，一般具有功率大的特点。 热激励

33、热激励、冲击波冲击波、电子束电子束、核能核能等等都可能用来实现粒子数反转。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。泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定。泵浦方式泵浦方式 光学谐振腔光学谐振腔是构成激光器的重要器件，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它不仅为获得激光输出提供了必要的条件的条件限制了可能的模式数目，同时还对激光的频率限制了可能的模式数目，同时还对激光的频率(高单色性高单色性)、功率、功率(高高亮度亮度)、光束发散角、光束发散角(方向性好方向性好)及相干性等有着很大影响及相干性等有着很大影响。 两平面镜构成的两平面镜构成的法珀腔法珀腔是

34、一种最简单的谐振控。实际情况中，根据不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，那就是都是开腔开腔，即侧面没有边，即侧面没有边界的腔，这使界的腔，这使偏轴模偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。不断耗散，以保证激光定向输出。 典型的稳定腔有典型的稳定腔有法珀腔法珀腔、共焦腔共焦腔等等(如图如图(a)，(b)）。傍轴光线在这类谐）。傍轴光线在这类谐振腔内往返多次而不至于横向逸出

35、腔外。振腔内往返多次而不至于横向逸出腔外。 (a)珐珀腔珐珀腔 (b)共焦球面腔共焦球面腔 3. 谐振腔谐振腔 1 设一对激光能级为设一对激光能级为E1和和E2（g1=g2），两），两能级间的跃迁频率为能级间的跃迁频率为（相应的波长为（相应的波长为），能级上的粒子数密度分别为，能级上的粒子数密度分别为n1和和n2，试，试求求: 1）当）当=3000MHz，T=300K时，时，n2/ n1=？；？； 2）当）当=1um，T=300K时，时，n2/ n1=？；？； 3）当）当=1um，n2/ n1=0.2时，时，T=？ 2022-3-5 第三次作业第三次作业第三次作业第三次作业2 0.5m时，什么

36、温度下自发辐射率与受时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？激辐射率相等？T=300K时，什么波长下自时，什么波长下自发辐射率相等？发辐射率相等？3 为使氦氖激光器为使氦氖激光器(=632.8nm)的相干长度的相干长度达到达到1km，它的单色性，它的单色性/是多少？（是多少？（相相干长度定义为干长度定义为L=c*t=c/ ）4 比较二能级系统中自发辐射与受激辐射的比较二能级系统中自发辐射与受激辐射的差异差异(画能级图画能级图)。2022-3-5 5 试利用玻尔兹曼分布公式以及普朗克公式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。推导爱因斯坦关系式。6 利用爱因斯坦关系式分析为什么二能级系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：统不能产生激光？（提示：dN2/dt=0）7 简述激光产生的两个必要条件。简述激光产生的两个必要条件。8 激光器的基本结构包括哪几部分？简述各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。部分在激光产生过程中的功能。2022-3-5 第三次作业第三次作业谢谢！