【文章內容簡介】 什么叫激發(fā)態(tài)？什么叫激發(fā)能？什么叫做能級圖？ ? 什么叫 特征光譜？它這說明什么？ ? 什么是 自發(fā)輻射？ 什么是 受激吸收？ 什么是 受激輻射？受激輻射光子的狀態(tài)如何？ ? 一個紫外光光子是否可激發(fā)出一個黃光光子 ? 反之一個黃光光子是否可激發(fā)出一個紫外光光子 輻射激發(fā) ?由于受激吸收而躍遷到激發(fā)態(tài)的原子回到基態(tài)時就可以發(fā)光。 ?回到基態(tài)可以有兩種途徑 ?直接回到基態(tài)，這是輻射的光子的頻率與吸收的光子的頻率一樣。稱為共振輻射。 ?通過中間能級回到基態(tài)。如果在這個過程中發(fā)射輻射光，那么它的頻率必定比吸收的頻率低，這種現(xiàn)象稱為熒光 激光原理 原子吸收入射光子并躍遷至高能級 E2 E1 13 EEh ???入射光 E1 E2 E3 E3 13 EEh ???輻射光 E1 E2 E3 12 EEh ???輻射光 E1 E2 E3 激光的產(chǎn)生機理 2121KT)EE(12nnEEenn 12???????? 式中 e = K為玻爾茲曼常數(shù)， T為絕對溫度，由于受激輻射與 n2成正比，受激吸收與 n1成正比 ∴ 受激輻射 受激吸收 ，不可能實現(xiàn)光放大． ? 要實現(xiàn)光放大，必須采取特殊措施，打破原子數(shù)在熱平 衡下的玻耳茲曼分布，使 n2＞ n1。體系的這種狀態(tài)稱為 粒子數(shù)反轉 。 粒子數(shù)反轉 在熱平衡情況下，任意兩個高低能級上的粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，即： 二 激光的產(chǎn)生 粒子數(shù)反轉 kTEkken??E1 E2 21 NN ?粒子數(shù)反轉 產(chǎn)生激光的必要條件：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。 激勵（泵浦）：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的過程。 具有亞穩(wěn)態(tài)的原子結構，才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。 紅寶石激光器（三能級系統(tǒng)） E2 E3 E1 E2 E3 E1 (108s) E2 E3 E1 (103s) ?h氦氖激光器（四能級系統(tǒng)） E1 E2 E3 E4 ?hE1 E2 E3 E4 (108s) (103s) 激光工作物質 ?能夠形成粒子數(shù)翻轉發(fā)光粒子，稱之為激活粒子 ?激活粒子可以是分子、原子、離子或電子 —— 空穴對 ?為激活粒子提供寄存場所的材料稱為基質。 ?基質可以是氣體、固體或液體。 ?基質與激活粒子統(tǒng)稱為激光工作物質 激光的產(chǎn)生機理 ? 產(chǎn)生激光的首要條件是： 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉 ? 能夠實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的介質稱為： 激活介質 ? 要造成粒子數(shù)反轉分布： ? 要求介質有適當?shù)哪芗壗Y構 I. ?? CO Nd:YAG、 He－ Ne均屬四能級結構 II.?? 紅寶石屬典型的三能級結構 III.?? 這些能級結構都存在亞穩(wěn)態(tài) ，即泵浦源：光、熱、電、化學或核能等 ? ?? 激光器的基本組成： ? ?? 工作物質 ? ?? 泵浦源 ? ?? 光學諧振腔 泵浦源 ?為了形成粒子數(shù)反轉要對激光物質進行激勵，完成這一任務的就是泵浦源 ?泵浦源可以是普通光源，也可以加電壓，還可以碰撞轉移或化學方法。 第一代激光器（ 以具有代表性的三能級系統(tǒng)的紅寶石激光器 ) 諧振腔 ?它由放置在激光工作物質兩端的兩個反射鏡組成，其中一個是全反射鏡，另一個是半反半透（輸出鏡） 復習上節(jié)課內容 ?激光產(chǎn)生的首要條件是什么？ ?具有什么樣的原子結構，才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？ ?什么稱之為激活粒子？ ?要造成粒子數(shù)反轉分布的條件是什么？ ?寫出激光器的基本組成： 駐波 ?兩個頻率相同，振動方向相同而傳播方向相反的單色光波，例如垂直入射到兩種介質分界面的單色光波與反射波的迭加，產(chǎn)生駐波。 三 光學諧振腔 工作物質 全反射鏡 部分反射鏡 諧振腔長度： ),3,2,1(2??? nnL ?諧振腔的作用： （ 1）維持光振蕩，起到光 放大 作用。 （ 2）使激光產(chǎn)生極好的 方向 性。 （ 3）使激光的 單色性 好。 激光的產(chǎn)生機理 ?光學諧振腔的作用 ?在外界激勵下，諧振腔內的激活介質產(chǎn)生 受激輻射 。 ?在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的光在兩個反射鏡之間來回反射、往復通過已實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉的激活介質，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進的該頻率的光得到放大，該過程稱為 光振蕩 。這是一種雪崩式的放大過程，使諧振腔內沿軸向的光驟然增強，能量密度大大增強，遠遠超過自發(fā)輻射。 ?這種受激的輻射光從部分反射鏡輸出，即是 激光 。 ?沿其他方向傳播的光很快從側面逸出諧振腔，不能被繼續(xù)放大；而自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率也得不到放大。 ?因此從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。 激光的產(chǎn)生機理 ?光學諧振腔 復習上節(jié)課內容 ?什么是激光產(chǎn)生的工作物質？ ?什么是泵浦源？ ?諧振腔起什么作用？ 激光的產(chǎn)生機理 ?光學諧振腔的主要形式 ： ? 按不同的方法分類可分為球面腔和非球面腔，兩鏡腔和多鏡腔，高損耗腔和低損耗腔，端面反饋腔和分布反饋腔，折疊腔和環(huán)形腔等等，但各種復雜腔都可以化為等效的 兩鏡腔 。常用的激光兩鏡腔的主要形式有： 激光的產(chǎn)生機理 ?諧振腔的穩(wěn)定性條件 ： ? 諧振腔的 g參數(shù)定義為： ? 式中， ? r r2 —— 分別為兩個反射鏡的曲率半徑， ? 凹面向腔內時為正，凸面向腔內時為負； ? L—— 為兩個反射鏡間的距離。即腔長。 ? 諧振腔的穩(wěn)定性條件為： ? 0g1g21 ? 而滿足 g1g2＝ 0 和 g1g2＝ 1 均為臨界腔。 ? 如：平面腔 r1=r2= ∞ , 滿足 g1g2＝ 1，所以為臨界腔 2211 rL1g,rL1g ????激光的產(chǎn)生機理 ?諧振腔的諧振條件 ?振幅條件 ： 光在腔內往返一次，由于激活介質而得到的增益，必須大于或等于此期間光的全部損失 (包括吸收、散射、衍射、反射及以激光形式輸出損失） 式中， G(υ) —— 激活物質增益系數(shù) , R R2—— 兩腔鏡反射率 α —— 激光在腔內傳播時的損耗系數(shù)， L—— 激光器腔長 ?相位條件 ：激光在腔內往返一次相位的改變?yōu)?2π 的整數(shù)倍，即形成駐波，才能有穩(wěn)定的振蕩輸出。 21 RRlnL21)(G ????激光的產(chǎn)生機理 ?諧振腔的閾值 把工作介質放到諧振腔里，并且使介質達到反轉狀態(tài)以后，只是說有可能產(chǎn)生激光。由于工作介質內部還存在散射、衍射等損耗，另外諧振腔的反射鏡對光也有吸收，而且還有一部分光要透出腔外，這對腔內的激光振蕩來說也是一個損失。因此工作介質的增益至少要高于某一最低限度，才足以克服損耗，產(chǎn)生振蕩，輸出激光。 這就是激光振蕩的增益閾值條件。 21ln21 RRLG m ??激光輸出模式 ? 激光輸出有時是由許多獨立的頻率分量所組成，這些獨立的頻率分量稱為模式。 ? 它是在腔內存在的，穩(wěn)定的光波基本形式。 穩(wěn)定的含義： 有確定的頻率 振幅在空間的相對分布是確定的，不隨時間而改變 相位在空間的相對分布是確定的，不隨時間而改變 氫元素光譜圖 激光輸出模式 ? 振蕩模式通常用 TEMmnq表示，下標 m、 n、 q分別取 0、 3… 等整數(shù)。 其中 m、 n為 橫模數(shù) ,表示該模式在垂直于腔軸的平面內的 振幅分布