光電子技術復習ppt課件(已修改)
2025-01-26 09:13 本頁面
【正文】 第一章 激光原理概論 2 ?認識光的本性 ?兩種學說 ?牛頓（ Newton）為代表的微粒說，認為光是由發(fā)光體發(fā)出的光粒子（微粒）流所組成的，這些微粒與普通的實物小球一樣遵從相同的力學規(guī)律。 ? 惠更斯（ ）為代表的波動說，認為光和聲一樣是一種波動，是由機械振動的傳播而引起的一種波動。 3 光子的基本性質 (1)光子具有能量 E，而這種能量與一定的光頻率 相對應。 （ ，普朗克常數） (2)光子具有質量 ，但光子靜態(tài)質量 ，光子動態(tài)質量 與光子能量（或光的波長 ）的關系為 ?hE ?sJh ??? ? 34106 2 ?00 ?mmm??? chchcEm /// 22 ???4 原子數目按能級的分布 ?假設原子有 n個能級，每個能級的能量用Ｅ i表示，i=1,2,3… 則處于第 i個能級的原子數為 玻爾茲曼常數 K= 1023J/K ?在熱平衡狀態(tài)時，處于兩個能級上原子數目的比為 kTEi iAeN/??kTEEji jieNN /)( ????即 在常溫熱平衡狀態(tài)下，幾乎全部原子處于基態(tài)，這種分布是原子在能級上的正常分布． 5 躍遷 ? 自發(fā)輻射 ? 受激吸收 ? 受激輻射 6 １、自發(fā)輻射 處于高能級 E2的原子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會自動地躍遷到低能級 E1，并發(fā)射一個頻率為 ，能量為 的光子，這種躍遷稱為 自發(fā)輻射 。 ? 12 EEh ?＝?初態(tài) 終態(tài) E 2 E 1 E 2 E 1 自發(fā)輻射光 12 EEh ?＝?7 自發(fā)輻射光是非相干的 ?自發(fā)輻射是不受外界輻射場影響的自發(fā)過程，各個原子在自發(fā)躍遷過程中是彼此無關的。自發(fā)輻射光是非相干的熒光。 ?普通光源的發(fā)光過程就是處于高能級的大量原子的自發(fā)輻射過程。 8 ２、受激吸收 處于低能級 E1的原子，在頻率為 ，能量為 的外來光子的激勵下，吸收一個能量為 的光子，并受激躍遷到高能級 E2 ，這種過程稱為 受激吸收過程。 ?12 EEh ?＝??hE 2 E 1 E 2 E 1 初態(tài) 終態(tài) 入射光 12 EEh ?＝?原子吸收入射光子并躍遷至高能級 9 ３、受激輻射 處于高能級 E2的原子，在頻率為 ，能量為 的外來光子的激勵下，受激躍遷到低能級 E1，并發(fā)射一個能量為 、且與外來激勵光子處于同一光子態(tài)的光子，這兩個光子又可以去誘發(fā)其他發(fā)光原子，產生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個入射光子作用下，就可以產生大量運動狀態(tài)相同的光子。這種過程稱為受激輻射 過程。 ? 12 EEh ?＝??h入射光 12 EEh ?＝?入射光 12 EEh ?＝?受激輻射光 12 EEh ?＝?E 2 E 1 E 2 E 1 初態(tài) 終態(tài) 10 受激輻射光是相干的 ?受激輻射是在外界輻射場激勵下的發(fā)光過程 ?受激輻射光子與激勵光子屬于同一光子態(tài)（受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、偏振方向上與激勵光子高度一致） 11 4受激輻射與自發(fā)輻射的本質區(qū)別 最重要的區(qū)別： 光輻射的相干性 ?自發(fā)輻射：所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動方向、傳播方向都有一定的任意性 ?受激輻射：所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方向上、傳播方向與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性 12 ?激光的特點 ?(1)極好的方向性（ θ≈ 103rad) ?(2)優(yōu)越的單色性 (Δν =*108Hz,是單色性最好的普通光源的線寬的 105倍 . ?(3)極好的相干性 (頻率相同 ,傳播方向同 ,相位差恒定 ) ?(4)極高的亮度 ? 光亮度 :單位面積的光源 ,在其法向單位立體角內傳送的光功率 . 13 ? 二 激光器的基本結構 激勵能源 諧振腔 工作物質 激光 z 一 .激光產生的必要條件 粒 子 數 反 轉 分 布 14 提供形成激光的能級結構體系，是激光產生的內因 提供形成激光的能量激勵，是激光形成的外因 為激光器提供反饋放大機構，使受激發(fā)射的強度、方向性、單色性進一步提高 15 激活粒子的能級結構 ?三能級系統(tǒng) 氬 離 子 激 光 器 紅 寶 石 激 光 器 16 ? 四能級系統(tǒng) 釹 玻 璃 激 光 器 及 摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 氦 氖 璃 激 光 器 及 二 氧 化 碳 激 光 器 17 紅寶石激光器產生激光的過程 ?⑴ Cr3+的受激吸收過程． ?⑵無輻射躍遷 ?⑶粒子數反轉狀態(tài)的形成 ?⑷個別的自發(fā)輻射 ?⑸受激發(fā)射 ?⑹激光的形成 能級圖 產生 且相干性好的單模輸出 18 ?模式是能在腔內存在的、 穩(wěn)定 的光波基本形式 ，不隨時間而改變
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