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1、激光原理,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,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。,激發(fā)態(tài),基態(tài),6,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),發(fā)射躍遷: 粒子發(fā)射一光子 = hv=E2E1而由高能級躍遷至低能級;,,吸收躍遷: 粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能級躍遷
2、至高能級.,,,7,3.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 : 粒子在激發(fā)態(tài)停留時間的平均值的 典型 值: 10-710-9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 10-8 10-9 S 如H原子 2p態(tài) 0.1610-8 S 3p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) 10-4 S (19.77eV) 10-6 S,高能級
3、,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,,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,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(spontaneous radiation),寫成等式,21 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 。,受激輻射 (stimulated radiation),,全同光子,設(shè) （、）溫度為
4、時, 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。,則單位體積中單位時間內(nèi)，從E E 受激輻射的原子數(shù)：,寫成等式,B21受激輻射系數(shù),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。,受激輻射過程,,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（stimulated absorption ）,寫成等式,B12 吸收系數(shù),令 W12=12 ( 、T),W12 單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生 吸收過程的概率。,
5、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 = f1 B12,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。,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，,20,Nd3+的能級劈裂以及氙燈和激光二極管泵浦源發(fā)射光譜,粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (population inversion),從E2E1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。,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
6、 B21=B12, W21=W12,產(chǎn)生激光必須,,視頻,24,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),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；,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,(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,27,三能級系統(tǒng) 當泵浦光足夠強時，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,,28,,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
7、發(fā)光都在Cr3+上進行，是典型的三能級系統(tǒng)。,,光的光增益,29,四能級系統(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,30,四能級系統(tǒng) 當泵浦光足夠強時，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,,,,,,,,亞穩(wěn)態(tài)能級,N,E,0,,,31,Nd：YAG激光器是四能級系統(tǒng),32,氦氖氣體激光器是四能級系統(tǒng),,光的光增益,,,,,,共振轉(zhuǎn)移,33,產(chǎn)生激光的能級系統(tǒng),（1） 三能系統(tǒng),（2）四能級系統(tǒng),34,(1) 要有適當?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
8、條件,35,激光器的組成,工作物質(zhì),,激光器,一對反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。,36,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,37,一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,38,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,39,小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件,. 激勵能源（使原子激發(fā)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）,. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）,.光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）,40,(1)紅寶石激光器,激光束,,550.0 nm,694.3 nm,激勵能源，工作物質(zhì)，諧振腔,激光器的結(jié)構(gòu),激光器基本上由三部分份組成：,41,(2)氦氖激光器,氦氖原子能級,,內(nèi)腔式,Thank you!,
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