光的受激輻射

光的受激輻射（StimulatedEmission)一、光和物質(原子、分子、離子，統(tǒng)稱粒子)相互作用的三種過程自發(fā)輻射(SP)

E1E2hn(SpontaneousEmission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激輻射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)E2andE1表示兩個激發(fā)態(tài)一個光子的能量輻射頻率E1E2hnE1E2hn自發(fā)輻射（SpontaneousEmission）。主要特征：無需外來光，隨機發(fā)光，發(fā)出的光子不相關，即相位、偏振態(tài)、傳輸方向是隨機的；發(fā)出的光子能量分布在許許多多個模式上。自發(fā)輻射幾率(Spontaneoustransitionrate)A21

－能級21躍遷的特征參數(shù)E2能級平均壽命推導A21ands

的關系式E1E2hn

在自發(fā)輻射過程中，E2能級上粒子隨時間按指數(shù)衰減自發(fā)輻射幾率A21與自發(fā)輻射（能級）壽命ts呈倒數(shù)關系

ts

可以通過實驗測得，由A21=1/s可獲得自發(fā)輻射幾率

A21只決定于物質本身性質，與輻射場無關

受激躍遷

受激吸收stimulatedabsorption(STA)

受激發(fā)射stimulatedemission(STE)hnE1E2

受頻率為的光場作用

受激輻射的光子具有完全相同的相位、偏振態(tài)和傳輸方向受激吸收幾率W12受激輻射幾率W21－單色能量密度(J·m-3·s)受激輻射幾率與輻射場的強度成正比能級21and12的受激躍遷幾率相等即

受激躍遷與自發(fā)躍遷是本質不同的物理過程為受激吸收和受激輻射躍遷系數(shù)，常數(shù)

B12和B21的大小只與物質本身性質有關，與外界輻射場無關A21、B21和B12關系式（愛因斯坦關系式）推導二、愛因斯坦關系式－A21、B21和B12的關系愛因斯坦關系熱平衡黑體輻射公式玻爾茲曼分布模密度n黑體輻射分配到腔內每個模式的平均能量f1=f2能級簡并度說明：SPE,STA,STE三種過程同時存在，只是有強弱差別

單位時間STE增加的光子數(shù)密度單位時間STA減少的光子數(shù)密度3.兩種受激躍遷比較(熱平衡情況下)T=1500K,l=500nm空腔2.兩種輻射比較(熱平衡情況下)SPE（自發(fā)輻射）占絕對優(yōu)勢4.自發(fā)輻射光子可作為引起受激輻射的外來光

起始階段的受激輻射的外來光來自于介質的自發(fā)輻射因此，當光在介質內傳輸時，光將被吸收而衰減。

激光產生的基本原理（概述）激光產生的條件:(1)粒子數(shù)反轉分布(2)增益>損耗即自激振蕩的閾值條件FlashlampFlashlampOutputbeamExternalmirrorExternalmirrorPartlytransmissionRubylaser694.3nm

發(fā)光粒子－鉻離子(Cr3+)

泵浦光源－閃光燈,其作用是實現(xiàn)鉻離子反轉分布

光諧振腔－兩平面反射鏡，實現(xiàn)光反饋，使受激輻射光放大形成激光以紅寶石激光器(RubyLaser)為例一、受激輻射占優(yōu)勢的條件－粒子數(shù)反轉分布（populationinversion）粒子數(shù)反轉分布受激輻射占主導光放大實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的工作物質稱為增益(或激活)介質粒子數(shù)反轉分布是產生激光的前提條件如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布？

只有依靠外界向物質提供能量(泵浦或稱激勵)才能打破熱平衡，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉En常溫下，Bolzman分布反轉分布r1r2mediumenergysourceAlmostanyenergysourcecanbeusedaspump,evenanotherlaser.泵浦方法

光學

a)閃光燈；b)其它激光器（如半導體激光器）電

a)氣體放電;b)大能量電子束;c)注入電流(產生電子-空穴對)3.化學反應a)火焰;b)爆炸4.電離性輻射a)核彈b)X-ray5.

Thermaloven……二、受激輻射光放大

開放式諧振腔（Openresonatororcavity）

模選擇提高光子簡并度(Photondegeneracy)

激活介質中的增益

增益系數(shù)(gaincoefficient),增益飽和(gainsaturation)

增益曲線(gainprofile)

光子簡并度開放式諧振腔的模選擇增益系數(shù)(小信號、大信號、增益飽和)d.增益曲線(增益系數(shù)對于頻率的分布)激光特性:單色性好、方向性好、光亮度

相干光(coherentlight)

自發(fā)輻射～非相干光－光子簡并度很低受激輻射～相干光－光子簡并度高

什么是光子簡并度n

－衡量相干光的參量

具有相同能量和動量的光子數(shù)（也稱同態(tài)光子數(shù)）同一模式中的光子數(shù)Photondegeneracy例：黑體輻射源（近似封閉腔）的光子簡并度黑體輻射分配到每個模式的平均能量模密度nExample:T=300K=30cmn=103coherent=60mn=1;=0.6mn=10-35incoherent結論:黑體輻射在紅外和可見光波段為非相干的模密度nn物理意義?(2)避免產生許多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一個或少數(shù)幾個模內。(3)將封閉腔改為開放式諧振腔(1)最簡單的開放式諧振腔是F-P腔軸向模F-P光諧振腔Closedcavity開放式光諧振腔使特定（軸向）模式的增加,其它模式(非軸向)逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡并度。

光諧振腔有選模作用，是構成激光器的主要部分。

0z增益介質

增益系數(shù)(GainCoefficient)與增益曲線

增益系數(shù)－描述激光工作物質放大特性的參數(shù)Dn(z)I(z)I00zdz薄層凈STE光子數(shù)密度定義：單位長度介質中光強增大的百分比

若介質中Dn分布均勻,g(z)常數(shù)g0－小信號增益系數(shù)

光放大光被吸收透明*隨著光強不斷增大，增益系數(shù)是否能保持常數(shù)請考慮每一變化的物理原因？受激輻射使消耗反轉粒子數(shù)增多（注意前提條件）反轉粒子數(shù)飽和

增益飽和－大信號情況No!增益飽和g(I)

（GainSaturation)問題:何時會出現(xiàn)增益飽和？飽和光強

Is:其值由增益介質本身性質決定光強增大到一定程度,g

將隨

I

的增大而減小小信號增益系數(shù)，常數(shù)，與I無關大信號增益系數(shù)，g(I)<g0增益飽和（飽和增益系數(shù)）增益曲線g(n)

－增益系數(shù)相對于頻率的分布問題的提出：引起STE的外來光(自發(fā)輻射）不是單一頻率，有一定的頻率分布增益線寬Dn定義:增益曲線極大值的半高全寬(FWHM)ng(n)n0損耗系數(shù)a

激活介質中不僅存在增益，還有損耗g&a并存的介質中，光強的變化解微分方程并有dz薄層g&損耗系數(shù)－單位長度光強衰減的百分比負增益系數(shù)三、自激振蕩器（引出激光閾值條件、極值光強等）

（1）自激振蕩概念(電)自激振蕩器必須具備的基本條件：同相；振幅平衡激光器光自激振蕩器如何實現(xiàn)光的正反饋和穩(wěn)定的振幅（光強）？光諧振腔增益和損耗達到平衡amplifierfeedbackr1r2ActivemediumPumpforproducinganinversion激光振蕩的閾值條件I0Imgg0zzI0只要增益介質足夠長，無論初始光強I0如何，通過增益飽和，總可以達到確定的極值光強Im

即自激振蕩概念設增益介質無限長，且增益與損耗并存

激光器是否振蕩與初始光強無關初始光強來自于自發(fā)輻射介質增益飽和作用使增益和損耗的平衡決定了激光的最后輸出功率（2）如何使有限長增益介質成為“無限長”光放大器

沿著腔軸的光在腔內多次往返等效無限長放大器（3）自激振蕩條件－激光振蕩條件－閾值條件Indexofrefraction:hmediumlengthLr1r2I0I1

Thresholdcondition(閾值條件）光諧振腔:光學正反饋；同相位增益飽和：極值光強；穩(wěn)定振幅

d－單程損耗，即單程渡越時腔內平均光強衰減的比值閾值條件閾值(自激振蕩)條件是激光產生的必要條件，唯一地由激光器的損耗決定。

損耗是評價激光器的重要指標=d－激光腔內的平均損耗系數(shù)，包括激活介質、諧振腔及其它損耗例2．在紅寶石Q調制激光器