第2章-激光產(chǎn)生的基本原理

第二章激光產(chǎn)生的基本原理NBU-光電信息工程宋寶安/691134主要內(nèi)容原子發(fā)光的機(jī)理自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射激光產(chǎn)生的條件激光器的組成與分類23一、原子發(fā)光的機(jī)理激光如何產(chǎn)生？4一、原子發(fā)光機(jī)理-原子結(jié)構(gòu)單個原子與多個原子能級差異？5一、原子發(fā)光機(jī)理-原子振動電偶極子振蕩(1)提高回路振蕩頻率LC回路能否有效地發(fā)射電磁波(1)振蕩頻率太低LC電路的輻射功率(2)電磁場僅局限于電容器和自感線圈內(nèi)LC回路因?yàn)椋?2)實(shí)現(xiàn)回路的開放LC振蕩電路解決途徑從LC振蕩電路到振蕩電偶極子振蕩電偶極子電磁波源的典型模型(1)B、E線分布><><極軸線繞極軸圓周線線腰形閉合線振蕩偶極子周圍的電磁場球面波電磁波的歷史及應(yīng)用1865年英國物理學(xué)家麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在.1886年德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在.1895年意大利發(fā)明家馬可尼發(fā)明了無線電通信系統(tǒng)。1914年語音通信成為可能。1920年商業(yè)無線電廣播開始使用。20世紀(jì)30年代發(fā)明了雷達(dá)。40年代雷達(dá)和通訊得到飛速發(fā)展，自50年代第一顆人造衛(wèi)星上天，衛(wèi)星通訊事業(yè)得到迅猛發(fā)展。如今電磁波已在通訊、遙感、空間控測、軍事應(yīng)用、科學(xué)研究等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用。一、激光理論體系10經(jīng)典理論（ClassicalLaserTheory）電磁場－麥克斯韋方程組；原子－電偶極振子半經(jīng)典理論（SemiclassicalLaserTheory）電磁場－麥克斯韋方程組；原子－量子力學(xué)描述量子理論（QuantumLaserTheory）電磁場和原子——二者作為一個統(tǒng)一的物理體系作量子化處理速率方程理論（RateEquationTheory）量子理論的簡化形式，忽略光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性11輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射12二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射經(jīng)典輻射理論經(jīng)典的輻射理論引用偶極子的概念，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律。偶極子強(qiáng)迫振動時釋放能量——

受激發(fā)射現(xiàn)象偶極子強(qiáng)迫振動時吸收能量——

受激吸收現(xiàn)象偶極子阻尼振動時釋放能量——

自發(fā)發(fā)射現(xiàn)象因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻火爐600度1000度400度1.熱輻射

實(shí)驗(yàn)證明不同溫度下物體能發(fā)出不同的電磁波，這種能量按頻率的分布隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射.二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射14二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射

(1).自發(fā)發(fā)射——在無外電磁場作用時,粒子自發(fā)地從E2躍遷到E1,發(fā)射光子hv。自發(fā)發(fā)射系數(shù)A21

:設(shè)E2上粒子數(shù)(密度)為n2

,時間dt內(nèi)、單位體積內(nèi)經(jīng)自發(fā)發(fā)射從E2躍遷到E1的粒子數(shù)為

-dn215二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射h

E2E1N2N1●●受激輻射:——原處于高能級E2的粒子,受到能量恰為hv=E2-E1的光子的激勵,發(fā)射出與入射光子相同的一個光子而躍遷到低能級E1。-dn2=B21ρvn2dt其中B21稱為受激輻射系數(shù)16二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射E2E1N2N1h

●●dn2=B12ρvn1dt

(1)三個系數(shù)A21、B12、B21:

均是粒子能級結(jié)構(gòu)的特征量,和外電磁場ρv無關(guān)。

(2)三種幾率:

A21

和外電磁場無關(guān);而W12、W21

與外電磁場ρv有關(guān)。

四.愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系:推導(dǎo)條件:

根據(jù)上述相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過程,空腔黑體內(nèi)輻射場ρv與物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果應(yīng)該維持黑體處于溫度為T的熱平衡腔狀態(tài).熱平衡狀態(tài)標(biāo)志是:

二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射

(1):腔內(nèi)存在由下式表示的熱平衡黑體輻射.

(2):腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按能級分布應(yīng)服從熱平衡下的玻耳茲曼

分布.式中:g1

---能級E1的簡并度g2

---能級E2的簡并度

二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射即

自發(fā)輻射光子數(shù)受激輻射光子數(shù)受激吸收光子數(shù)(3)在熱平衡狀態(tài)下

單位時間內(nèi)粒子體系從輻射場吸收的光子數(shù)目=單位時間內(nèi)粒子體系向輻射場發(fā)射的光子數(shù)目聯(lián)立以上三式,可得二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射式當(dāng)T∞時也應(yīng)成立,所以有將上式代入(1)式可得:得到愛因斯坦關(guān)系式

在折射率為μ的介質(zhì)中,有二、原子發(fā)光機(jī)理-輻射如果E2和E1均非簡并即g1=g2=1,或者和簡并度相同即

g1=g2,

則(愛因斯坦關(guān)系式有更簡單形式)B12=B21說明了原子的吸收譜與發(fā)射譜相同若對應(yīng)于同一個輻射場ρv有：W

12=B12ρv=B21ρv=

W21推出重要結(jié)論：W12=W21

而對相同的dt，W12=W21,而n1＞＞n2

則(-dn2)＜＜(dn2)因此,雖然在1916年愛因斯坦就預(yù)言了受激輻射的存在，但在一般熱平衡情況下，物質(zhì)的受激輻射總是被受激吸收所掩蓋，未能在實(shí)驗(yàn)中觀察到。單位時間內(nèi)受激輻射的原子數(shù)單位時間內(nèi)受激吸收的原子數(shù)22三、激光產(chǎn)生條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射?。?）選擇具有適當(dāng)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；（2）選擇一個適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。這些