激光基本原理ppt課件(編輯修改稿)
2025-01-31 20:28 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 態(tài)下 ， 各能級(jí)上的粒子數(shù)布居服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 。 3 激光原理 當(dāng) E2E1時(shí) ， N2N1。 表明在熱平衡狀態(tài)下高能級(jí)上的粒子數(shù)布居總是小于低能級(jí) ， 且兩者的比例取決于體系的溫度 。 一般地 ， 在熱平衡狀態(tài)下 ， 幾乎所有的原子都處于最低能態(tài) —— 基態(tài) 。 兩個(gè)能級(jí) E1與 E2上的粒子數(shù)布居之比： 在熱平衡狀態(tài)下氣體原子體系的粒子數(shù)布居滿足玻耳茲曼分布律： T：熱平衡溫度； Nn：能級(jí) En上的粒子數(shù)布居； k：玻耳茲曼常數(shù)。 (1) 自發(fā)輻射 處于高能級(jí)上的原子 ， 總是會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)上 ， 伴隨輻射出一個(gè)頻率為 n 的光子 ， 稱為光的自發(fā)輻射 。 自發(fā)輻射 、 受激輻射和受激吸收 說明：自發(fā)輻射是個(gè) 隨機(jī) 過程 ， 處于高能級(jí)的各個(gè)原子隨時(shí)地 、 獨(dú)立地向低能級(jí)自發(fā)躍遷 ， 所發(fā)射的光子形成一個(gè)個(gè)相位 、 偏振態(tài)和傳播方向均彼此無關(guān)的波列 ， 因而是非相干的 。 自發(fā)輻射光子的能量和頻率分別滿足： 處于低能級(jí)上的原子 ， 受到頻率為 n的入射光照射時(shí) ， 有可能吸收一個(gè)光子的能量而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上 ， 稱為光的受激吸收 ， 且有 (2) 受激吸收 自發(fā)輻射 、 受激輻射和受激吸收 處于 E2能級(jí)上的原子 ， 在受到頻率 n 正好滿足 hn=E2E1的入射光子的作用時(shí) ，有可能自所處 E2能級(jí)躍遷到 E1能級(jí) ， 并輻射一個(gè)同頻率的光子 。 說明： ① 與自發(fā)輻射不同 ， 受激輻射光子與入射光子具有 相同 的模式 ， 即 同頻率 、 同相位 、 同偏振態(tài) ， 因而是相干的 。 ② 受激輻射與受激吸收 互為逆過程 ，兩者同時(shí)發(fā)生，同時(shí)存在。 (3) 受激輻射 自發(fā)輻射 、 受激輻射和受激吸收 自發(fā)輻射過程：原子體系單位時(shí)間內(nèi)從能級(jí) E2躍遷到能級(jí) E1的粒子總數(shù)只與E2上的粒子數(shù)布居 N2成正比 ， 與輻射場無關(guān) ， 即 受激輻射過程：原子體系單位時(shí)間內(nèi)從始態(tài)到終態(tài)躍遷的粒子數(shù) ， 除了與始態(tài)上的粒子數(shù)布居有關(guān)外 ， 還與能量等于兩能級(jí)差的入射光子數(shù)密度 u(n)（ 輻射能譜密度 ） 成正比 ， 即 A2 B1 B21：愛因斯坦系數(shù) 愛因斯坦公式 按照愛因斯坦的觀點(diǎn) ， 在熱平衡狀態(tài)下 ， 原子體系在單位時(shí)間內(nèi)受激吸收的光子數(shù)應(yīng)等于自發(fā)輻射和受激輻射的光子數(shù)總和 。 即 由玻耳茲曼分布律得： 愛因斯坦公式 比較兩式可得愛因斯坦公式： 說明：愛因斯坦公式為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ) 由普朗克量子輻射公式可以證明： 愛因斯坦公式 當(dāng)頻率為 n 的光波通過具有能級(jí)差 E2E1=hn 的介質(zhì)時(shí) ， 將同時(shí)發(fā)生受激吸收和受激輻射 。 按愛因斯坦公式 ， dt時(shí)間內(nèi) ， 介質(zhì)單位體積受激吸收的光子數(shù) dN12與受激輻射的光子數(shù) dN21之比為 熱平衡狀態(tài)下： N2N1， dN21dN12 粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)與光放大 意義：光波在處于熱平衡態(tài)的介質(zhì)中傳播時(shí) ， 受激吸收的光子數(shù)大于受激輻射的光子數(shù) ， 宏觀效果表現(xiàn)為光被介質(zhì)吸收 ， 能量減小 。 說明： ① 粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布只有在非平衡狀態(tài)下才能達(dá)到 粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)： N2N1， dN21dN12。 即高能態(tài)的粒子數(shù)布居大于低能態(tài) 。 意義：光波在處于粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)中傳播時(shí) ， 介質(zhì)受激輻射的光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù) ， 宏觀效果表現(xiàn)為光放大或光增益 。 ② 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的必要條件 ③ 能夠造成粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激光介質(zhì)或增益介質(zhì) 粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)與光放大 能級(jí)壽命 t ：粒子能夠在某個(gè)能級(jí)上停留的平均時(shí)間。 由于自發(fā)輻射 ， 能級(jí) E2上的粒子數(shù) N2將隨時(shí)間減少 ， 在 dt內(nèi)的改變量： 意義： E2上粒子數(shù) N2的減少量與自發(fā)輻射幾率系數(shù) A21的大小有關(guān) ， 經(jīng)過t=1/A21時(shí)間后 ， 將減少到初始值的 1/e。 所謂能級(jí)壽命實(shí)際上就是指在該能級(jí)上的粒子數(shù)減少到初始值的 1/e所經(jīng)歷的時(shí)間 。 能級(jí)
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