1.5激光形成的條件.ppt

1 5 激光形成的條件 1 5 1介質(zhì)中光的受激輻射放大 一 產(chǎn)生激光的基本條件 受激發(fā)射占優(yōu)勢 圖1 19光在介質(zhì)中傳播的物理圖像 二 光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律 圖1 20光穿過厚度為dz介質(zhì)的情況 如圖 1 20 頻率為的準(zhǔn)單色光射向介質(zhì) 在介質(zhì)中z處取厚度為dz 截面為單位截面的一薄層 在dt時間內(nèi)由于介質(zhì)吸收而減少的光子數(shù)密度為 圖1 20光穿過厚度為dz介質(zhì)的情況 在dt時間內(nèi)由于介質(zhì)吸收而減少的光子數(shù)密度為 dt時間內(nèi)由于受激輻射增加的光子數(shù)密度為 其中 為介質(zhì)中z處傳播著的光能密度 它與光強I z 的關(guān)系為 dt為光經(jīng)過dz所需要的時間 存在如下關(guān)系 并且有 則光穿過dz介質(zhì)后凈增加的光子數(shù)密度為 圖1 20光穿過厚度為dz介質(zhì)的情況 則光穿過dz介質(zhì)后光能密度的增加值為 解此微分方程得 上式即為光波穿過介質(zhì)時光強隨路程z的變化規(guī)律 式中I 0 為z 0處的光強 兩點結(jié)論 熱平衡態(tài)下 低能級上的粒子數(shù)較大 光波穿過介質(zhì)時光強隨路程z衰減 物質(zhì)對入射光的作用宏觀表現(xiàn)為吸收 只有使高能級粒子數(shù)超過低能級 即實現(xiàn)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài) 非熱平衡態(tài) 才能使光波穿過介質(zhì)時光強隨路程z增長 物質(zhì)對入射光的作用宏觀表現(xiàn)為放大 光放大 三 介質(zhì)中粒子的分布情況 1 正常分布狀態(tài) 熱平衡態(tài)下 粒子數(shù)按能級的分布為玻爾茲曼分布 2 溫度對粒子數(shù)分布的影響 E2 E1 2 低溫極端 可見 低溫下 高能級上的粒子數(shù)幾乎為零 3 分界點 數(shù)值例 室溫下 T 300K 并設(shè)g1 g2 可求得與分界點相應(yīng)的躍遷頻率 而相應(yīng)波長 遠(yuǎn)紅外 與光相應(yīng)的n2 n1 結(jié)論 室溫下 與波長短于遠(yuǎn)紅外 包括近紅外 可見光 的輻射躍遷相應(yīng)的二個能級中 高能級基本上是空的 幾乎所有粒子都處于基態(tài) 這種情況在室溫氣體的吸收光譜的近紅外的可見光區(qū)被觀察到 全部吸收光譜都對應(yīng)從基態(tài)到某些高能態(tài)的躍遷 觀察不到較高能態(tài)之間躍遷的吸收譜線 如果將溫度提高到數(shù)千度 高能態(tài)間躍遷將出現(xiàn) 并且吸收譜線中觀察到新的譜線 3 粒子數(shù)正常分布狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 因為E2 E1 hv 0 T 0 所以 4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 1 反轉(zhuǎn)條件 破壞熱平衡分布 正常分布 的條件 2 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 n 用來衡量反轉(zhuǎn)程度的物理量 于是 反轉(zhuǎn)條件變?yōu)?n 0 3 等效溫度Teq 于是 反轉(zhuǎn)條件變?yōu)?即 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時等效溫度為負(fù)值 4 實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的手段 激勵或泵浦 pumping 或抽運 由外界能源向粒子系統(tǒng)輸入能量 使大量粒子躍遷到高能級 激勵方法 按激勵能源分類 光泵抽運 電激勵 氣體放電激勵 化學(xué)激勵 核能激勵等 介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時上下能級粒子數(shù)的分布關(guān)系為 即 則由 四 增益介質(zhì)與增益系數(shù) 1 介質(zhì)的吸收系數(shù) A 代表介質(zhì)對光波的吸收能力 若令 有 上式說明在一般情況下 介質(zhì)中吸收過程占主要地位 光波按指數(shù)規(guī)律衰減 且衰減的相對速率為A 代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度路程光強的相對衰減率的大小 也代表介質(zhì)對光波吸收能力的大小 將A稱為吸收系數(shù) 2 討論 粒子數(shù)分布與介質(zhì)的吸收系數(shù)的關(guān)系 結(jié)論 只有破壞熱平衡狀態(tài) 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 才有光放大過程 式中G 增益的相對速率 代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度路程光強的相對增長率 也代表介質(zhì)對光波放大能力的大小 將G稱為增益系數(shù) 增益介質(zhì) 用外界能源將介質(zhì)造成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài) 令 則有 3 介質(zhì)的增益系數(shù) G 代表介質(zhì)對光波的放大能力 G 0相當(dāng)于A z 0 介質(zhì)不再是吸收介質(zhì)而是光放大介質(zhì) 五 實現(xiàn)光放大的兩個條件 1 激勵能源 把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去 2 增益介質(zhì) 能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) 1 5 2光學(xué)諧振腔和閾值條件 一 滿足了以上兩個條件后 還要采取什么措施使受激輻射成為增益介質(zhì)中的主要發(fā)光過程 而不是自發(fā)輻射 自發(fā)發(fā)射總是伴有受激發(fā)射 因激發(fā)態(tài)壽命有限 故處于激發(fā)態(tài)的粒子總會發(fā)生自發(fā)發(fā)射 但自發(fā)發(fā)射光子對其它粒子則是外來光輻射場 會導(dǎo)致其它粒子的受激發(fā)射 及受激吸收 1 越大 則 q激 q自 越大 受激發(fā)射優(yōu)勢越明顯 2和 T 的關(guān)系 例1 6943A的紅寶石激光 可見光 當(dāng)T 300K 室溫 時 T 1500K時 若要使 T 30000K 無法達(dá)到的高溫 例2 0 3m的微波 當(dāng)T 300K時 T 1500K時 可見 T 及 則 且在可見光區(qū) 即 一般是自發(fā)發(fā)射占優(yōu)勢 在微波區(qū) 較易實現(xiàn)即 使受激發(fā)射占優(yōu)勢 二 要使受激輻射幾率遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射幾率即 而要滿足上式只有靠增大增益介質(zhì)中傳播的光能密度來實現(xiàn) 又 隨穿過增益介質(zhì)的路程z按指數(shù)規(guī)律增長 z越大 也越大 即可以增加增益介質(zhì)的長度L來增加 三 技術(shù)上不能把介質(zhì)做得無限長 實現(xiàn)這一設(shè)想的措施是 采用光學(xué)諧振腔 如圖 1 21 所示這是一個簡單的光學(xué)諧振腔 平行平面腔 圖1 21受激光在諧振腔中的放大 圖1 21受激光在諧振腔中的放大 四 光學(xué)諧振腔的作用 1 開放式光學(xué)諧振腔 簡稱光腔 開放式指沒有完全封閉二鏡 平面 球面 之間空間 構(gòu)成 由兩塊反射鏡構(gòu)成 一為全反射鏡 一為部分反射鏡 反射鏡的反射率r 反射光強與入射光強之比 1 r 0 全反射鏡 r 1 用于全反射 部分反射鏡 r 1 用于反射及輸出激光 2 光腔的選模作用 光波模 可能存在于光學(xué)諧振腔內(nèi)的光駐波模式 封閉腔內(nèi)的電磁波模 封閉腔內(nèi)可存在的電磁駐波模式可多達(dá)百億個以上 數(shù)值例 按典型的光學(xué)諧振腔尺寸取值的封閉腔長度L 100cm 橫截面積S 1mm2 如果電磁波頻率在v 1015附近dv 1000MHz的頻率范圍內(nèi) 模式數(shù)目個 開放式光學(xué)諧振腔中的光波模數(shù)目 只有一至幾個或幾十個 上述電磁波模中絕大多數(shù)幾何光學(xué)損耗極大 很快偏折出腔外 實際上只有極少數(shù)模式損耗很低而能存留于腔內(nèi) 這些模式的大為提高 因原分配在個模式中的能量現(xiàn)在集中在一至幾個模式上 這就是光腔選模作用 3 光腔的正反饋作用 對一個振蕩電路 要維持振蕩就必須給振蕩器提供大于損耗的正反饋 同理 對光學(xué)諧振腔 要獲得光自激振蕩 須令光在腔內(nèi)來回一次所獲增益 至少可補償傳播中的損耗 五 產(chǎn)生激光的基本條件 2要使受激發(fā)射光強超過受激吸收 必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 方法 利用外界激勵能源 把大量粒子激勵到高能級 破壞熱平衡 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 要使即要使受激發(fā)射光強超過自發(fā)發(fā)射 必須提高光子簡并度 方法 利用光學(xué)諧振腔造成強輻射場 以提高腔內(nèi)光場的相干性 1 能在外界激勵