激光原理-激光器基本结构课件.ppt

1、 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能按量子力学原理，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量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级能级”；原；原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态子能量的任何变化（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之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃跃迁迁。E1E3E2 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)6 51234n激发态激发态基态基态

2、5辐射跃迁和非辐射跃迁辐射跃迁和非辐射跃迁1.跃迁跃迁:粒子由一个能级过渡到另一能级的过程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)发射跃迁发射跃迁:粒子发射一光子粒子发射一光子=hv=E2E1而由高能级跃迁而由高能级跃迁至低能级至低能级;E2E1hEE12吸收跃迁吸收跃迁:粒子吸收一光子粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能级跃迁而由低能级跃迁至高能级至高能级.E2E163.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 :粒子在激发态停留时间的平均值的 典型 值:10-

3、710-9秒5.亚稳态亚稳态: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 跃迁跃迁,则该态的平均寿命会很长则该态的平均寿命会很长(10(10-3-3秒秒),),称亚稳能级称亚稳能级,相应的态相应的态为亚稳态。为亚稳态。一般，一般，能级寿命能级寿命 10-8 10-9 S 如如H原子原子 2p态态 0.16 10-8 S 3p态态 0.54 10-8S 亚稳态：亚稳态：如如He原子的两个亚稳态能级原子的两个亚稳态能级(20.55eV)10-4 S (19.77eV)10-6 S kTEEeNN)(1212ENE2E1N1N22N1N光与物质相

4、互作用的三种过程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：q自发辐射q受激辐射q受激吸收 设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：的原子数：2NdtdN 自发自发21自发辐射过程自发辐射过程(spontaneous radiation)E2E1N2N1h 写成等式写成等式 22121NAdtdN 自发自发 21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生

5、自发辐射过程的概率。射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相非相干光干光。受激辐射受激辐射(stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 （、）温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1)/h附近，附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。单位频率间隔的外来光的能量密度。则则单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：221)(NTdtdN、受激写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数22121)(NTBdtdN、受激W21 单个原子在单位时间内发生受激

6、辐射过程的概率。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向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。22121NWdtdN受激则则令令 W21=B21 （、T）hEE/)(12光光放放大大E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子从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单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：的原子数：112NT,dtdN 吸收吸收受激吸收过程（受激吸收过程（stimulated absorption）写成

7、等式写成等式11212NWdtdN 吸收吸收 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。11212NT,BdtdN 吸收吸收A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。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。了理论基础。1233218BchAf2B21 =f1 B12上述关系如何推导得出呢？上述关系如何推导得出呢？

8、A：结合原子数能级分布（玻尔兹曼分布）和热平衡条件：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。推导得出。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，19Nd3+的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱的能级劈裂以及氙灯和激光二极管泵浦源发射光谱粒子数反转粒子数反转(population inversion)22122121NWNT,BdtdN 受激受激 11211212NWNT,BdtdN 吸收吸收从从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。引起吸收过程。必须必须 N2 N1这种状态称为这种状态

9、称为 粒子数反转粒子数反转或者或者集居数反转集居数反转。因因 B21=B12 W21=W12产生激光必须产生激光必须 吸收吸收受激受激 dtdNdtdN122112NNN其中其中称为称为反转粒子数。反转粒子数。为得到光放大为得到光放大,必须使必须使2N1N视频视频23实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用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粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的外界激励能量；）提供足够的外界激励能量；2）原子在激发态多）原子在激发态多“呆呆”一会；一会；1)2612NNNEE3E12EN21N3N0E3E12EN

10、21N3NE0N27282913NNE4E13EN21N3NE0NE2N4NEE4E12EN23N03E3031氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布s3p2s2s1Nes3s12s32Hep2p3碰632.8nm共振转移共振转移32产生激光的能级系统产生激光的能级系统（1）三能系统三能系统（2 2）四能级系统）四能级系统 12EEh2E1E3E三能级系统三能级系统23EEh4E1E3E2E四能级系统四能级系统红宝石激光器红宝石激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器33谐振腔的作用：谐振腔的作用：（2）使激光产生极好的方向性。（空间）使激光产生极好的方向性。（空间）（3）使激光的单

11、色性好。（频率）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）维持光振荡，起到光放大作用。正反馈34谐振腔谐振腔35激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理36光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用3738小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件.激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）39(1)红宝石红宝石激光器激光器 聚光反射器聚光

12、反射器红宝石棒红宝石棒触发电极触发电极氙闪光灯氙闪光灯激光束激光束无辐射跃迁无辐射跃迁E!E3E2激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态泵浦泵浦550.0 nm694.3 nm激励能源激励能源，工作物质工作物质，谐振腔谐振腔&激光器的结构激光器的结构激光器基本上由三部分份组成：激光器基本上由三部分份组成：40(2)氦氖氦氖激光器激光器 氦氖原子能级氦氖原子能级 无辐射跃迁无辐射跃迁泵浦泵浦E!E4E3激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态E2阳极阳极阴极阴极毛细管毛细管部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜内腔式内腔式球面反球面反射镜射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗外腔式外腔式球面半球面半反射镜反射镜