第二講_激光原理_激光器基本結(jié)構(gòu)第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)課主要內(nèi)容能級躍遷自發(fā)輻射受激輻射受激吸收粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三能級和四能級激光器基本結(jié)構(gòu)縱模橫模第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

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”；原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個定態(tài)之間進行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。E1E3E2第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

能級:粒子的內(nèi)部能量值

高能級:

能量較高的能級低能級:

能量較低的能級基能級:

能量最低的能級(相應(yīng)的狀態(tài)稱基態(tài)）

激發(fā)能級:

能量高于基能級的其它所有能級(相應(yīng)狀態(tài)稱激發(fā)態(tài))

651234n激發(fā)態(tài)基態(tài)第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射躍遷和非輻射躍遷1.躍遷:粒子由一個能級過渡到另一能級的過程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)①發(fā)射躍遷:粒子發(fā)射一光子ε=hv=E2－E1而由高能級躍遷至低能級;E2E1②吸收躍遷:粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1而由低能級躍遷至高能級.E2E16第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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τ:粒子在激發(fā)態(tài)停留時間的平均值τ的典型值:10-7～10-9秒5.亞穩(wěn)態(tài):若某一激發(fā)能級與較低能級之間沒有或只有微弱的輻射躍遷,則該態(tài)的平均壽命會很長(≥10-3秒),稱亞穩(wěn)能級,相應(yīng)的態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)。一般，能級壽命10-810-9S如H原子2p態(tài)

0.1610-8S3p態(tài)

0.5410-8S

亞穩(wěn)態(tài)：如He原子的兩個亞穩(wěn)態(tài)能級

(20.55eV)

10-4S(19.77eV)

10-6S

7第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月高能級低能級熱平衡時，單位體積內(nèi)處于各個能級上的原子數(shù)分布玻爾茲曼分布律:ENE2E1N1N2第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月光與物質(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第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2能級的原子數(shù)。

單位體積中單位時間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)：自發(fā)輻射過程(spontaneousradiation)E2E1N2N1h第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月寫成等式

Ａ21自發(fā)輻射系數(shù)，單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。

各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、無關(guān)的非相干光。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月受激輻射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h設(shè)（、Ｔ）—溫度為Ｔ時,頻率為=(E2-E1)/h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月則單位體積中單位時間內(nèi)，從E２

E１受激輻射的原子數(shù)：寫成等式

B21受激輻射系數(shù)第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月W21單個原子在單位時間內(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。則令 W21=B21·

（、T）第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月受激輻射過程趨近高能級E2上的粒子時外來光子滿足頻率條件:感應(yīng)躍遷至低能級E1發(fā)射一個全同光子(頻率相同、傳播方向相同、偏振方向相同）光放大第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月E2E1N2N1h上述外來光也有可能被吸收，使原子從E1E2。單位體積中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從E1E2的原子數(shù)：受激吸收過程（stimulatedabsorption）第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月寫成等式

B12吸收系數(shù)令W12=Ｂ12(、T)

W12

單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率。第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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驗上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。f2B21=f1B12上述關(guān)系如何推導(dǎo)得出呢？A：結(jié)合原子數(shù)能級分布（玻爾茲曼分布）和熱平衡條件推導(dǎo)得出。第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月思考：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，第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Nd3+的能級劈裂以及氙燈和激光二極管泵浦源發(fā)射光譜20第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)從E2→E1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。第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月必須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

其中稱為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月受激吸收總是占優(yōu)勢表現(xiàn)為光的吸收通常情況下：N1N2B21·(21)·

N1B12·(21)·

N2

粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)受激輻射占優(yōu)勢為得到光放大,必須使N2

N1視頻第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)對光具有增益作用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2怎樣才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？1）提供足夠的外界激勵能量；2）原子在激發(fā)態(tài)多“呆”一會；24第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件電激勵化學(xué)激勵熱激勵光激勵(A)激勵(又稱泵浦)光的光增益第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(B)合適的能級結(jié)構(gòu)（合適亞穩(wěn)態(tài)的存在）

光的光增益第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

三能級系統(tǒng)當(dāng)泵浦光足夠強時，有可能使,在能級E2

于E1

間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光的光增益亞穩(wěn)態(tài)能級NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N27第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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。采用光激勵方法：受激和發(fā)光都在Cr3+上進行，是典型的三能級系統(tǒng)。光的光增益28第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

四能級系統(tǒng)

比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。光的光增益29第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

四能級系統(tǒng)當(dāng)泵浦光足夠強時，有可能使,在能級E3

于E2

間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光的光增益E4E13EN21N3NE0NE2N4亞穩(wěn)態(tài)能級NEE4E12EN23N03E30第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Nd：YAG激光器是四能級系統(tǒng)31第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

氦氖氣體激光器是四能級系統(tǒng)氖原子在間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光的光增益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移32第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生激光的能級系統(tǒng)（1）

三能系統(tǒng)（2）四能級系統(tǒng)

三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)紅寶石激光器釹玻璃激光器33第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)

要有適當(dāng)?shù)募す夤ぷ魑镔|(zhì)(2)

要有外界激勵源(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)生激光的條件諧振腔的作用：（2）使激光產(chǎn)生極好的方向性。（空間）（3）使激光的單色性好。（頻率）（1）維持光振蕩，起到光放大作用。－正反饋34第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵系統(tǒng)激光器一對反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。35第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月激光工作物質(zhì)全反射鏡半反射鏡工作原理：out光放大原理諧振腔作用：正反饋和選擇方向36第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一對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)諧振腔激光在兩反射鏡間形成駐波。諧振條件為：2nL=q=qc2nL

L:

腔長n:

氣體折射率37第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩模式

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.橫模光場在橫向不同的穩(wěn)定分布。光學(xué)諧振腔38第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件

ｌ.激勵能源（使原子激發(fā)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）

２.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）

３.光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）39第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)紅寶石激光器聚光反射器紅寶石棒觸發(fā)電極氙閃光燈激光束無輻射躍遷E!E3E2激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)泵浦550.0n