畢業(yè)論文--激光原理與應(yīng)用技術(shù)簡介-文庫吧
2025-05-16 08:27 本頁面
【正文】 性?；诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦裕厝幌喔尚詷O好， 激光的這一特性使全息照相成為現(xiàn)實。 2. 激光原理 激 光 產(chǎn)生的物理 基礎(chǔ) 光子基本性質(zhì) 光量子學說認為，光是一種以光速 c 運動的光子流，光子和其他基本粒子一樣 ，具有能量、動量和質(zhì)量。它的粒子屬性和波動屬性之間的關(guān)系如下： ⑴ 光子能量 E與光波頻率 ? 對應(yīng) E=h? ； ⑵ 光子具有運動質(zhì)量 m，并可表示為22Ehm cc???，光子的靜止質(zhì)量為零； ⑶ 光子的動量 P 與單色平面波的波矢 k 對應(yīng) Pk? ； ⑷ 光子具有兩種可能的獨立偏振狀態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個獨立偏振方向； ⑸ 光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。 上述基本關(guān)系式為康普頓散射實驗所證實，并 3 在現(xiàn)代量子電動力學中得到理論解釋。量子電動力學從理論上把光的電磁理論和光子理論在電磁場量子化的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來，闡 明了光的波粒二象性 [2]。 光的受激輻射 過程 光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理 基礎(chǔ)。愛因斯坦 認為光和物質(zhì)原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。為了簡化問題，我們只考慮原子的兩個能級 1E 和 2E ， 則 21E E h??? ⑴ 如圖 1 所示。 ⑴ 自發(fā)輻射 處于高能級 2E 的一個原子自發(fā)地向低能級 1E 躍遷，并發(fā)射一個能量為 h? 的光子，這種過程稱為自發(fā)輻射過程，如圖 2 所示。 2E 1E 1E 自 發(fā) 輻 射 光21h E E? ?? 2E 圖 2 原子自發(fā)輻射 1E 2E 圖 1 二能級原子能級圖 4 ⑵ 受激輻射 處于高能級 2E 的原子在滿足 21()E E h? ?? ⑵ 的輻射場作用下，躍遷至低能級 1E 并輻射出一個能量為 h? 且與入射光子全同光子，如圖 3 所示。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。 ⑶ 受激吸收 受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級 1E 的一個原子，在頻率為 ? 的 輻射場作用下吸收一個能量為 h? 的光子，并躍遷至高能級 2E ，這種過程稱為受激吸收，如圖 4 所示。 受激輻射和自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于相干性。自發(fā)輻射是不受外界輻射場影響的自發(fā)過程，因此，大量原子的自發(fā)輻射場的相位是無規(guī)則分布的，因而是不圖 3 原子受激輻射 原子吸收入射光子并躍遷至高能級 入射光 21hv E E?? 1E 1E 2E 2E 圖 4 原子受激吸收 2E 2E 入射光 21h E E??? 1E 1E 入射光 21h E E??? 受激輻射 21h E E? ?? 5 相干的；受激輻射是在外界輻射場控制下的發(fā)光過程，受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，特別是大量粒子在同一輻射場激勵下產(chǎn)生的受激輻射處于同一光場模式或同一光子態(tài)，因而受激輻射是相干的 [2]。 激光產(chǎn)生的基本原理和方法 光學諧振腔及其選模和反饋作用 由受激輻射和自發(fā)輻射相干性可知，相干輻射的光子簡并度很大。根 據(jù)黑體輻射源的光子簡并度關(guān)系式： 11BhkTEn he ????? ⑶ 在室溫 T=300K 的情況下，對于 ? =30cm 的微波輻射， 310n? ；對于 60 m??? 的遠紅外輻射， 1n? ； 對于 m??? 的可見光輻射， 3510n ?? 。可見，普通光源在紅外和可見光波段實際上是非相干光源。應(yīng)用黑體輻射的普朗克公式和愛因斯坦系數(shù)的基本關(guān)系式 ⑴ 可改寫為 21 21321 2138B Wnh AAc ??????? ? ? 由此式可以看出，如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內(nèi)某一特定模式的 ?? 很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡并度。也就是說，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)，而不是平均分配在所有模式中。由 ⑵ 式 可知，在同一熱力學溫度下，頻率越小（波長越長）的光，光子簡并度越大，相干性越好。要是光子簡并度高進而相干性越好，需要波長盡量長，溫度盡量高。受激輻射和自發(fā)輻射分別產(chǎn)生相干和非相干光子，若能設(shè)法使某一模式的 ?? 大大增加，而其他的則大大減少，則此特定 模式的光子簡并度 n 就會大大增加。激光器就是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收等來提高光子簡并度，從而達到產(chǎn)生激光的目的。 光腔選模作用 :為了減少腔內(nèi)光場模式數(shù)，將一個充滿物質(zhì)原子（或分子）的柱體腔（黑體）去掉側(cè)壁，只保留兩個端面壁，形成開腔。如果端面壁對光的反射系數(shù)很高，則沿垂直端面的腔軸方向傳播的光在腔內(nèi)多次反射不逸出腔外， 6 而所有其他方向的光則很容易逸出腔外。這相當于在腔內(nèi)能夠存在的光場模式只有少數(shù)幾個，達到了光波模式的選 擇作用。 光腔的反饋作用 :光放大器在許多大功率裝置中廣泛地用來把弱的激光束逐級放大，但在光放大的同時通常還存在著光的損耗，根據(jù)研究光強達到穩(wěn)定的極限值只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強無關(guān)。特別是，不管初始光強多么弱，只要放大器足夠長，就總能形成確定大小的光強穩(wěn)定極限值，而實際上，既不需要給激活物質(zhì)輸入一個弱光信號，也不需要真正把激活物質(zhì)的長度無限增加，而只要在具有一定長度的光放大器兩端放置前述的光學諧振腔。這樣，沿軸向傳播的光波模在兩反射鏡間往返傳播，就等于增加放大器長度。這種作用稱為光學諧振腔的反饋 作 用 [2]。 光的受激輻射放大條件 實現(xiàn)光放大的兩個條件： ⑴ 激勵能源 —— 把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去； ⑵ 增益介質(zhì) —— 能在外界激
畢業(yè)設(shè)計相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1