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(shì) 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(guò)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(shí)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(guò)厚度為dz介質(zhì)的情況 在dt時(shí)間內(nèi)由于介質(zhì)吸收而減少的光子數(shù)密度為 dt時(shí)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(qiáng)I z 的關(guān)系為 dt為光經(jīng)過(guò)dz所需要的時(shí)間 存在如下關(guān)系 并且有 則光穿過(guò)dz介質(zhì)后凈增加的光子數(shù)密度為 圖1 20光穿過(guò)厚度為dz介質(zhì)的情況 則光穿過(guò)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(guò)介質(zhì)時(shí)光強(qiáng)隨路程z的變化規(guī)律 式中I 0 為z 0處的光強(qiáng) 兩點(diǎn)結(jié)論 熱平衡態(tài)下 低能級(jí)上的粒子數(shù)較大 光波穿過(guò)介質(zhì)時(shí)光強(qiáng)隨路程z衰減 物質(zhì)對(duì)入射光的作用宏觀表現(xiàn)為吸收 只有使高能級(jí)粒子數(shù)超過(guò)低能級(jí) 即實(shí)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(guò)介質(zhì)時(shí)光強(qiáng)隨路程z增長(zhǎng) 物質(zhì)對(duì)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(jí)的分布為玻爾茲曼分布 2 溫度對(duì)粒子數(shù)分布的影響 E2 E1 2 低溫極端 可見(jiàn) 低溫下 高能級(jí)上的粒子數(shù)幾乎為零 3 分界點(diǎn) 數(shù)值例 室溫下 T 300K 并設(shè)g1 g2 可求得與分界點(diǎn)相應(yīng)的躍遷頻率 而相應(yīng)波長(zhǎng) 遠(yuǎn)紅外 與光相應(yīng)的n2 n1 結(jié)論 室溫下 與波長(zhǎng)短于遠(yuǎn)紅外 包括近紅外 可見(jiàn)光 的輻射躍遷相應(yīng)的二個(gè)能級(jí)中 高能級(jí)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(jiàn)光區(qū)被觀察到 全部吸收光譜都對(duì)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(xiàn) 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(xiàn)中觀察到新的譜線(xiàn) 3 粒子數(shù)正常分布狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 因?yàn)镋2 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(lái)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(shí)等效溫度為負(fù)值 4 實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的手段 激勵(lì)或泵浦 pumping 或抽運(yùn) 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(jí) 激勵(lì)方法 按激勵(lì)能源分類(lèi) 光泵抽運(yùn) 電激勵(lì) 氣體放電激勵(lì) 化學(xué)激勵(lì) 核能激勵(lì)等 介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)上下能級(jí)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(duì)光波的吸收能力 若令 有 上式說(shuō)明在一般情況下 介質(zhì)中吸收過(guò)程占主要地位 光波按指數(shù)規(guī)律衰減 且衰減的相對(duì)速率為A 代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度路程光強(qiáng)的相對(duì)衰減率的大小 也代表介質(zhì)對(duì)光波吸收能力的大小 將A稱(chēng)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 才有光放大過(guò)程 式中G 增益的相對(duì)速率 代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度路程光強(qiáng)的相對(duì)增長(zhǎng)率 也代表介質(zhì)對(duì)光波放大能力的大小 將G稱(chēng)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(duì)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(shí)現(xiàn)光放大的兩個(gè)條件 1 激勵(lì)能源 把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)去 2 增益介質(zhì) 能在外界激勵(lì)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(mǎn)足了以上兩個(gè)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(guò)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(huì)發(fā)生自發(fā)發(fā)射 但自發(fā)發(fā)射光子對(duì)其它粒子則是外來(lái)光輻射場(chǎng) 會(huì)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(shì)越明顯 2和 T 的關(guān)系 例1 6943A的紅寶石激光 可見(jiàn)光 當(dāng)T 300K 室溫 時(shí) T 1500K時(shí) 若要使 T 30000K 無(wú)法達(dá)到的高溫 例2 0 3m的微波 當(dāng)T 300K時(shí) T 1500K時(shí) 可見(jiàn) T 及 則 且在可見(jiàn)光區(qū) 即 一般是自發(fā)發(fā)射占優(yōu)勢(shì) 在微波區(qū) 較易實(shí)現(xiàn)即 使受激發(fā)射占優(yōu)勢(shì) 二 要使受激輻射幾率遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射幾率即 而要滿(mǎn)足上式只有靠增大增益介質(zhì)中傳播的光能密度來(lái)實(shí)現(xiàn) 又 隨穿過(guò)增益介質(zhì)的路程z按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng) z越大 也越大 即可以增加增益介質(zhì)的長(zhǎng)度L來(lái)增加 三 技術(shù)上不能把介質(zhì)做得無(wú)限長(zhǎng) 實(shí)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(gè)簡(jiǎn)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(kāi)放式光學(xué)諧振腔 簡(jiǎn)稱(chēng)光腔 開(kāi)放式指沒(méi)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(qiáng)與入射光強(qiáng)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(gè)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(zhǎng)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(gè) 開(kāi)放式光學(xué)諧振腔中的光波模數(shù)目 只有一至幾個(gè)或幾十個(gè) 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(shí)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(gè)模式中的能量現(xiàn)在集中在一至幾個(gè)模式上 這就是光腔選模作用 3 光腔的正反饋?zhàn)饔?對(duì)一個(gè)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(duì)光學(xué)諧振腔 要獲得光自激振蕩 須令光在腔內(nèi)來(lái)回一次所獲增益 至少可補(bǔ)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(qiáng)超過(guò)受激吸收 必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 方法 利用外界激勵(lì)能源 把大量粒子激勵(lì)到高能級(jí) 破壞熱平衡 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 要使即要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過(guò)自發(fā)發(fā)射 必須提高光子簡(jiǎn)并度 方法 利用光學(xué)諧振腔造成強(qiáng)輻射場(chǎng) 以提高腔內(nèi)光場(chǎng)的相干性 1 能在外界激勵(lì)