激光形成的条件课件.ppt

1、1.5.1.5.激光形成的条件激光形成的条件1.5.1 1.5.1 介质中光的受激辐射放大介质中光的受激辐射放大一一.产生激光的基本条件产生激光的基本条件-受激发射占优势受激发射占优势图1-19 光在介质中传播的物理图像二二.光束在介质中的传播规律光束在介质中的传播规律图1-20 光穿过厚度为dzdz介质的情况如图(1-20)，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 时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为：图1-20 光穿过厚度为dzdz介质的情况在 dt 时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为：tfzBnNd)()(d1211dt t时间内由于

2、受激辐射增加的光子数密度为：tfzBnNd)()(d2122)()(zIcz其中:为介质中z处传播着的光能密度，它与光强I(z)的关系为：)(zd dt为光经过d dz所需要的时间，存在如下关系，并且有：dzcdzdt212121BgBgdtfzBnBndNdNdN)()()(12121221则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为：图1-20 光穿过厚度为dzdz介质的情况dzcfzBnggn)()()(211122则光穿过dz介质后光能密度的增加值为：dzhcfzBnggndNhd)()()(211122dzhcfBnggnd)()(211122dzhcfBnggnd)()(211122解此

3、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。式中I(0)为 z=0 处的光强两点结论两点结论:热平衡态下热平衡态下,低能级上低能级上的粒子数较大的粒子数较大,光波穿过介质时光强随路程光波穿过介质时光强随路程z衰减衰减,物质对入射光的作用宏观表现为吸收。物质对入射光的作用宏观表现为吸收。01212ggnn只有使高能级粒子数超过低能级只有使高能级粒子数超过低能级,即实现即实现 的的粒粒子数反转状态子数反转状态(非热平衡态非热平衡态),),才能使才能使光波穿过介质时光强随

4、路程z增长,物质对入射光的作用宏观表现为放大物质对入射光的作用宏观表现为放大 光放大光放大01212ggnnII)()exp()0()(211122zchfBnggnIzI)()exp()0()(211122zchfBnggnz三三.介质中粒子的分布情况介质中粒子的分布情况1.1.正常分布状态正常分布状态:热平衡态下热平衡态下,粒子数按能级的分布为玻尔粒子数按能级的分布为玻尔兹曼分布兹曼分布kThegngn/1122/2.2.温度对粒子数分布的影响温度对粒子数分布的影响 (E2E1)(1)(1)高温极端高温极端:kTEEh 12 1/1122gngn可见可见:极高温时极高温时,高、低能级上的高

5、、低能级上的粒子数几乎相等。粒子数几乎相等。(2)(2)低温极端低温极端:kTEEh 12 0/1122gngn 可见可见:低温下低温下,高能级上的粒子数几高能级上的粒子数几乎为零乎为零。(3).(3).分界点分界点 kTh egngn1122/数值例数值例:室温下室温下(T=300K),T=300K),并设并设g g1 1=g=g2 2,可求得与分界点可求得与分界点相应的跃迁频率相应的跃迁频率 ,而相应波长而相应波长(远红外远红外)。kTh Hz12106 m 50红外光红外光 hvhv 300kThvhv红外光与光相应的n2 n1 结论：室温下结论：室温下,与波长短于远红外与波长短于远红外

6、(包括近红外、可见光包括近红外、可见光)的的辐射跃迁相应的二个能级中辐射跃迁相应的二个能级中,高能级基本上是高能级基本上是空的空的,几乎所有几乎所有粒子都处于基态。粒子都处于基态。这种情况在室温气体的吸收光谱的近红外的可见光区被观察到，全部吸收光谱都对应从基态到某些高能态的跃迁，观察不到较高能态之间跃迁的吸收谱线。如果将温度提高到数千度，高能态间跃迁将出现，并且吸收谱线中观察到新的谱线。3.3.粒子数正常分布状态的数学表达式粒子数正常分布状态的数学表达式:因为E2E1,hv0,T0,所以所以1122nggn4.4.粒子数反转分布粒子数反转分布(1).(1).反转条件反转条件:破坏热平衡分布破坏

7、热平衡分布(正常分布正常分布)的条件的条件1122nggn(2).(2).反转粒子数密度反转粒子数密度n:用来衡量反转程用来衡量反转程度的物理量度的物理量定义:1122nggnn 于是于是,反转条件变为反转条件变为:n 0(3).).等效温度等效温度Teq:kThegngn/1122/由有2112lngngnkThv得)ln(2112gngnkhT定义:)ln(2112gngnkhTeq 于是于是,反转条件变为反转条件变为 0 eqT 即即:粒子数反转时等效温度为负值粒子数反转时等效温度为负值。(4).(4).实现反转的手段实现反转的手段:激励或泵浦激励或泵浦(pumping)pumping)

8、或抽运或抽运由外界能源向粒子系统输入能量由外界能源向粒子系统输入能量,使大量粒子跃迁到高能级。使大量粒子跃迁到高能级。激励方法激励方法(按激励能源分类按激励能源分类):):光泵抽运、电激励光泵抽运、电激励(气体放电激励气体放电激励)、化学激励、核能激励等、化学激励、核能激励等介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为：1122nggn 即 0)()(211122chfBnggnAchfBnggn)()(211122则由：四四.增益介质与增益系数增益介质与增益系数1.1.介质的吸收系数介质的吸收系数:A代表介质对光波的吸收能力若令:AdzzdIzIzAIeAIdzzdIeIzIAzAz)()

9、(1)()0()()0()()()exp()0()(211122zchfBnggnIzI有:上式说明在一般情况下，介质中吸收过程占主要地位，光波按指数规律衰减。且衰减的相对速率为A，代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减率的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小，将A称为吸收系数。)()()(1zAdzzdIzI 2.讨论讨论:粒子数分布与介质的吸收系数粒子数分布与介质的吸收系数 的关系的关系)(zA_状态状态 热平衡热平衡 非热平衡非热平衡 非热平衡非热平衡 _2121nggn 0(0(n2劣势劣势)0(n2优势优势)=0 粒子数分布状态粒子数分布状态 正常正常 反转反转 “反转阈反转

10、阈”)(zA0 0=0)0(/)(IzI 111 =0 对光的作用对光的作用 吸收吸收(正吸收正吸收)光放大光放大(负吸收负吸收)“全透明全透明”I随随z的变化的变化 指数衰减指数衰减 指数增长指数增长 不变不变 占优势者占优势者 受激吸收受激吸收 受激发射受激发射 无无结论结论:只有破坏热平衡状态只有破坏热平衡状态,实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布,才有光放大过程。才有光放大过程。式中G(增益的相对速率)代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小，将G称为增益系数。dzzdIzIGeIzIGz)()(1)0()(增益介质：用外界能源将介质造成 粒子数

11、密度反转分布的状态1122gngn令GchfBnggnnnggn)()(2111221122以及则有：3.3.介质的增益系数介质的增益系数:G代表介质对光波的放大能力 G 0相当于相当于A(z)0,介质不再是吸收介质而是光放大介质。介质不再是吸收介质而是光放大介质。五五.实现光放大的两个条件实现光放大的两个条件 1.激励能源把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去 2.增益介质能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态1.5.2 1.5.2 光学谐振腔和阈值条件光学谐振腔和阈值条件 一.满足了以上两个条件后，还要采取什么措施使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程，而不是自发辐射？自发

12、发射总是伴有受激发射自发发射总是伴有受激发射:因激发态寿命有限因激发态寿命有限,故处于激发态的粒子总会发生自发发射故处于激发态的粒子总会发生自发发射;但自发发射光子对其它粒子则是外来光辐射场但自发发射光子对其它粒子则是外来光辐射场,会导致其它粒会导致其它粒子的受激发射子的受激发射(及受激吸收及受激吸收)。118332112kThvvvehvcABtqtqn）（）（自激 1.越大越大,则则(q激/q自)越大越大,受激发射优势越明显受激发射优势越明显n2 和和(,T)的关系的关系:n 例例1.=6943A的红宝石激光的红宝石激光(可见光可见光):当当 T=300K(室温室温)时时,T=1500K

13、时时,若要使若要使 ,T30000K(无法达到的高温无法达到的高温)31109/自激qqn7109 n1/自激qqn 例例2.=0.3m的微波的微波:当当T=300K 时时,T=1500K 时时,可见可见:T及及,则则 ,;且且 在可见光区在可见光区,即即 ,一般是自发发射占优势一般是自发发射占优势;在微波区在微波区,较易实现较易实现 即即 ,使受激发射占优势。使受激发射占优势。3106/自激qqn4103 nn)/(自激qq1 n1 n)/(自激qq)/(自激qq二二.要使受激辐射几率远大于自发辐射几率即：2121)(AfB而要满足上式只有靠增大增益介质中传播的光能密度 来实现，又：)()e

14、xp()0()(211122zchfBnggnz 随穿过增益介质的路程z按指数规律增长，z 越大，也越大，即可以增加增益介质的长度L来增加 。)(z三三.技术上不能把介质做得无限长，实现这一设想的措施是：采用光学谐振腔。如图(1-21)所示这是一个简单的光学谐振腔平行平面腔。图1-21 受激光在谐振腔中的放大118332112kThvvvehvcABtqtqn）（）（自激图1-21 受激光在谐振腔中的放大四四.光学谐振腔的作用；1.1.开放式光学谐振腔开放式光学谐振腔(简称光腔简称光腔):):开开放式指没有完全封闭二镜（平面、球放式指没有完全封闭二镜（平面、球面）之间空间。面）之间空间。构成构

15、成:由两块反射镜构成由两块反射镜构成,一为全反射一为全反射镜镜,一为部分反射镜。一为部分反射镜。反射镜的反射率反射镜的反射率r:反射光强与入射光强反射光强与入射光强之比之比 (1r0)人反qqr 全反射镜全反射镜:r1 (用于全反射用于全反射)部分反射镜部分反射镜:r1 (用于反射及输出激光用于反射及输出激光)2 2.光腔的选模作用光腔的选模作用:光波模光波模:可能存在于光学谐振腔内的光驻波模式可能存在于光学谐振腔内的光驻波模式 封闭腔内的电磁波模封闭腔内的电磁波模:封闭腔内可存在的电磁驻波模式可多达百亿个以上。封闭腔内可存在的电磁驻波模式可多达百亿个以上。数值例数值例:按典型的光学谐振腔尺寸

16、取值的封闭腔长度按典型的光学谐振腔尺寸取值的封闭腔长度L=100cm,横截面积横截面积S=1mm2 ,如果电磁波频率在如果电磁波频率在v=1015附近附近dv=1000MHz的频率范围内的频率范围内,模式数目模式数目 个个.1133310vSLcvn8Nd 开放式光学谐振腔中的光波模数目开放式光学谐振腔中的光波模数目:只有一至几个或几十个。只有一至几个或几十个。上述电磁波模中绝大多数几何光学损上述电磁波模中绝大多数几何光学损耗极大耗极大(很快偏折出腔外很快偏折出腔外),),实际上只有极实际上只有极少数模式损耗很低而能存留于腔内少数模式损耗很低而能存留于腔内,这些这些模式的大为提高模式的大为提高

17、(因原分配在个模式中的因原分配在个模式中的能量现在集中在一至几个模式上能量现在集中在一至几个模式上)-这就是光腔这就是光腔选模选模作用作用 3 3.光腔的正反馈作用光腔的正反馈作用:对一个振荡电路对一个振荡电路,要维持振要维持振荡就必须给振荡器提供大于荡就必须给振荡器提供大于损耗的正反馈损耗的正反馈;同理同理,对光学谐振腔对光学谐振腔,要获得光自要获得光自激振荡激振荡,须令光在腔内来回一须令光在腔内来回一次所获增益次所获增益,至少可补偿传播中至少可补偿传播中的损耗的损耗 五五.产生激光的基本条件产生激光的基本条件:2 2 要使要使受激发射受激发射光强光强超过超过受激受激吸收吸收,必须实现粒子数

18、反转必须实现粒子数反转 。01212ggnn 方法方法:利用外界激励能源利用外界激励能源,把大量粒子激励到高能级。把大量粒子激励到高能级。破坏热平衡破坏热平衡,实现粒子数反转实现粒子数反转。3.3.要使即要使受激发射光强超过自发发射要使即要使受激发射光强超过自发发射),),必须提高光必须提高光 子简并度子简并度 。n方法方法:利用利用光学谐振腔光学谐振腔造成强辐射场造成强辐射场,以提高腔内光场的相干性。以提高腔内光场的相干性。1.1.能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态 的的增益介质增益介质 六六.激光器的三个主要组成部分及其作用激光器的三个主要组成部分及其作用(1)(1)工作物质工作物质(又称激活媒质或增益介质又称激活媒质或增益介质):):粒子有适当能级粒子有适当能级 结构结构,可实现粒子数反转可实现粒子数反转(2)(2)激励能源激励能源:抽运抽运(又叫泵浦又叫泵浦),),即把大量粒子激励到激光上即把大量粒子激励到激光上 能级能级(高能级高能级)(3)(3)光学谐振腔光学谐振腔:选模选模(提高提高 即相干性即相干性),),实现光学正反实现光学正反 馈馈n