激光基本原理概述讲解课件.ppt
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1、第一章第一章 激光基本原理概述激光基本原理概述 按激光工作物质分类:固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体(有机染料)激光器 一般激光器的三个主要组成部分:激光工作物质、光学谐振腔、激励能源Ruby:红宝石/ru:bi/1.2 光的受激辐射(Stimulated Emission)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(Spontaneous Emission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulated absorption)受激辐射(STE)hnE1E22hn(Stimulated Emission)E2 and E1 表示两个
2、激发态一个光子的能量21hEEn21EEhn辐射频率E1E2hnE1E2hn2sp2121n1dtdnA 自发辐射(Spontaneous Emission)。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(Spontaneous transition rate)A21 能级21 跃迁的特征参数sA121E2能级平均寿命tAenn21202221212nAdtdndtdnsp221211ndtdnAspsndtdndtdn2212stenn/202sA121推导 A21 and s 的关系式E1E2hn 在
3、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s呈倒数关系 s 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n无关 受激跃迁 受激吸收 stimulated absorption(STA)受激发射 stimulated emission(STE)hnE1E2 受频率为 的光场作用hEE12n 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 W12112121ndtdnWsta 受激辐射几率 W21221211ndtdnWsten1212BW n2121BW n单色能量密度 (J m-
4、3 s)1832KThehcnnnn012A 受激辐射几率与辐射场的强度 成正比 能级21 and 12 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 n1221WW2112BandB为受激吸收和受激辐射跃迁系数,常数n1212BW n2121BW 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、二、爱因斯坦关系式 A21、B21 和B12的关系2211123321218fBfBhnchBAnnn爱因斯坦关系热平衡黑体辐 射 公 式KTEEffnn121212exp玻尔兹曼分布stastspdtdndtdnd
5、tdn122121112221221nBnBnAnn1832KThehcnnnn模密度模密度n nn n黑体辐射分配到黑体辐射分配到腔内每个模式的腔内每个模式的平均能量平均能量112121122121kTheffBBBAnn21122112WWBB f1=f2能级简并度说明:1.SPE,STA,STE 三种过程同时存在,只是有强弱差别2.两种辐射比较(热平衡情况下)答案:SPE(自发辐射)占绝对优势单位时间STE增加的光子数密度单位时间STA减少的光子数密度112112221221nBnWnBnWnn3.两种受激跃迁比较(热平衡情况下)9332121102118kThspsteehcABIIn
6、nnnnnnhBnIhAnIstesp212212T=1500K,l=500nm 空腔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 )(STESTA吸收占主导受激因此,当光在介质内传输时,光将被吸收而衰减。1122nffn 热平衡时,1.3 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Flash lampFlash lampOutputbeamExternal mirrorExternal mirrorPartly transmissionnhnhRuby laser694.3nmF 发光
7、粒子铬离子(Cr3+)F 泵浦光源闪光灯,其作用是实现铬离子反转分布F 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(Ruby Laser)为例一、受激辐射占优势的条件 粒子数反转分布(population inversion)12nn 粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大s 实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质s 粒子数反转分布是产生激光的前提条件s 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211212ffennKTEEEn常温下,Bolzman分布反转分布12nn 12nn r1r2medium
8、energy sourceAlmost any energy source can be used as pump,even another laser.泵浦方法 1.光学 a)闪光灯;b)其它激光器(如半导体激光器)2.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-ray 5.Thermal oven 二、受激辐射光放大 开放式谐振腔(Open resonator or cavity)模选择 提高光子简并度(Photon degeneracy)激活介质中的增益 增益系数(gain coefficient)
9、,增益饱和(gain saturation)增益曲线(gain profile)a.光子简并度 b.开放式谐振腔的模选择c.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(coherent light)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odesmofnumberphotonsofnumber totaln Photon degeneracy例:黑体辐射源(近似封闭腔)的光子简并度1832KTh
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