激光原理激光器基本結(jié)構(gòu).ppt

激光原理,本節(jié)課主要內(nèi)容,能級(jí) 躍遷 自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收,粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 三能級(jí)和四能級(jí) 激光器基本結(jié)構(gòu) 縱模 橫模,按量子力學(xué)原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，這些定態(tài)稱為原子的“能級(jí)”；原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個(gè)定態(tài)之間進(jìn)行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。,激發(fā)態(tài),基態(tài),6,輻射躍遷和非輻射躍遷,1.躍遷: 粒子由一個(gè)能級(jí)過渡到另一能級(jí)的過程,2.輻射躍遷: 粒子發(fā)射或吸收光子的躍遷(滿足躍遷選擇定則),發(fā)射躍遷: 粒子發(fā)射一光子 = hv=E2E1而由高能級(jí)躍遷至低能級(jí);,吸收躍遷: 粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能級(jí)躍遷至高能級(jí).,7,3.無輻射躍遷: 既不發(fā)射又不吸收光子的躍遷(通過與其它粒子 或氣體容器壁的碰撞、或其它能量交換過程),4.激發(fā)態(tài)的平均壽命 : 粒子在激發(fā)態(tài)停留時(shí)間的平均值的 典型 值: 10-710-9秒,5.亞穩(wěn)態(tài):若某一激發(fā)能級(jí)與較低能級(jí)之間沒有或只有微弱的輻射 躍遷, 則該態(tài)的平均壽命會(huì)很長(zhǎng)(10-3秒), 稱亞穩(wěn)能級(jí),相應(yīng)的態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)。,一般，能級(jí)壽命 10-8 10-9 S 如H原子 2p態(tài) 0.1610-8 S 3p態(tài) 0.5410-8S 亞穩(wěn)態(tài)：如He原子的兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) (20.55eV) 10-4 S (19.77eV) 10-6 S,高能級(jí),低能級(jí),熱平衡時(shí)，單位體積內(nèi)處于各個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)分布,光與物質(zhì)相互作用的三種過程,愛因斯坦為了解釋黑體輻射的規(guī)律，從量子論觀點(diǎn)出發(fā)提出輻射與原子相互作用應(yīng)該包括三種過程： 自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收,設(shè) N1 、N2 單位體積中處于E1 、E2 能級(jí)的原子數(shù)。,單位體積中單位時(shí)間內(nèi)， 從E2 E1自發(fā)輻射 的原子數(shù)：,自發(fā)輻射過程(spontaneous radiation),寫成等式,21 自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。,各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、 無關(guān)的 非相干光 。,受激輻射 (stimulated radiation),全同光子,設(shè) （、）溫度為時(shí), 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。,則單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E E 受激輻射的原子數(shù)：,寫成等式,B21受激輻射系數(shù),W21 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率。,受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同-有光的放大作用。,受激輻射過程,上述外來光也有可能被吸收，使原子從E1E2。,單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來光而從E1E2 的原子數(shù)：,受激吸收過程（stimulated absorption ）,寫成等式,B12 吸收系數(shù),令 W12=12 ( 、T),W12 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 吸收過程的概率。,A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數(shù)。,結(jié)合普朗克黑體輻射公式，愛因斯坦從理論上推出,愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。,f2B21 = f1 B12,上述關(guān)系如何推導(dǎo)得出呢？ A：結(jié)合原子數(shù)能級(jí)分布（玻爾茲曼分布）和熱平衡條件推導(dǎo)得出。,思考： 物質(zhì)的吸收譜和輻射譜如何形成的？,提示：光學(xué)中譜的概念，,20,Nd3+的能級(jí)劈裂以及氙燈和激光二極管泵浦源發(fā)射光譜,粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (population inversion),從E2E1自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能 引起吸收過程。,必須 N2 N1 這種狀態(tài)稱為 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或者集居數(shù)反轉(zhuǎn)。,因 B21=B12, W21=W12,產(chǎn)生激光必須,視頻,24,實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)對(duì)光具有增益作用,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài),怎樣才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？,1）提供足夠的外界激勵(lì)能量；,2）原子在激發(fā)態(tài)多“呆”一會(huì)；,1) 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件,電激勵(lì),化學(xué)激勵(lì),熱激勵(lì),光激勵(lì),(A) 激勵(lì)(又稱泵浦),光的光增益,(B) 合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)（合適亞穩(wěn)態(tài)的存在）,光的光增益,27,三能級(jí)系統(tǒng) 當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)時(shí)，有可能使 ,在能級(jí)E2 于E1 間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,光的光增益,28,紅寶石激光器的工作物質(zhì)：紅寶石 是摻有少量鉻離子（Cr3+)的（Al2O3)晶體。,采用光激勵(lì)方法： 受激和發(fā)光都在Cr3+上進(jìn)行，是典型的三能級(jí)系統(tǒng)。,光的光增益,29,四能級(jí)系統(tǒng) 比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,光的光增益,30,四能級(jí)系統(tǒng) 當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)時(shí)，有可能使 ,在能級(jí)E3 于E2 間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,光的光增益,亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),N,E,0,31,Nd：YAG激光器是四能級(jí)系統(tǒng),32,氦氖氣體激光器是四能級(jí)系統(tǒng),光的光增益,共振轉(zhuǎn)移,33,產(chǎn)生激光的能級(jí)系統(tǒng),（1） 三能系統(tǒng),（2）四能級(jí)系統(tǒng),34,(1) 要有適當(dāng)?shù)募す夤ぷ魑镔|(zhì) (2) 要有外界激勵(lì)源 (3) 要有激光諧振腔,激光形成的基本條件,激光形成的基本條件或激光器的基本結(jié)構(gòu),產(chǎn)生激光的條件,35,激光器的組成,工作物質(zhì),激光器,一對(duì)反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。,36,激光工作物質(zhì),全 反 射 鏡,半 反 射 鏡,工作原理：,out,光放大原理,37,一對(duì)反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。,光學(xué)諧振腔的作用,光學(xué)諧振腔,38,振蕩模式 是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征該模式在垂直于腔軸內(nèi)形成駐波的節(jié)點(diǎn)數(shù),稱橫模數(shù)。,q表示該模式在光腔軸的平面內(nèi)形成的節(jié)點(diǎn)數(shù)，稱縱模數(shù)。,1.縱模 能引起振蕩的頻率關(guān)系 2.橫模 光場(chǎng)在橫向不同的穩(wěn)定分布。,光學(xué)諧振腔,39,小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件,. 激勵(lì)能源（使原子激發(fā)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）,. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)）,.