第十七章二激光前言一自發(fā)輻射與能級壽命二(編輯修改稿)
2025-08-28 13:30 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 可能引起受激輻射，也可能引起吸收，且有 112221 , NdtdNNdtdN ??????????????吸收受激（三）粒子數(shù)反轉(zhuǎn) —產(chǎn)生激光的必要條件 1. 為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 要產(chǎn)生激光必須有 吸收受激?????????????dtdNdtdN 1221(即，受激輻射占優(yōu)勢 ) ? 必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ） 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 17 穩(wěn)定的激光必須各能級上原子數(shù)動態(tài)平衡，即要求 自發(fā)受激吸收???????????????????? dtdNdtdNdtdN 212112? ? 22121221221112 NAWNANWNW ????２．兩能級系統(tǒng)不可能粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 式中 W12為單個粒子發(fā)生吸收的概率， W21為單個粒子發(fā)生受激輻射的概率， A21為單個粒子發(fā)生自發(fā)輻射的概率。 W12 W21 A21 E1 E2 由基爾霍夫定律， W21=W12 即 W12W21+A21 ? 對兩能級系統(tǒng)只可能N2 N1. 不可能粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 18 E2 E1 A31 W23 W12 E3 A21 A32 W13 ３．三能級系統(tǒng)及多能級系統(tǒng)可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 通過外界輸入能量，使大量的原子從 E1迅速抽運到 E3 若存在 A32＞＞ A31＋ A21 則有可能實現(xiàn) N2＞ N1 W13＞＞ W23或 W12 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件： （ 1）外界的激勵 —光泵， （ 2）具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作物質(zhì)。 一般的物質(zhì)，原子處在高能級上的壽命只有 108秒，而將一個原子激發(fā)到高能級上去也是 108秒，故一般的物質(zhì)在高能級上無法積累足夠多的原子。只有高能級上存在著亞穩(wěn)態(tài)能級（平均壽命為 104秒）的物質(zhì)，才能在外界激勵下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 19 例， He—Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 工作物質(zhì)是 Ne，輔助物質(zhì) He，輸出波長 ?ｍ，?m， ?ｍ三個。 放電管 陽極 陰極 He—Ne激光器管內(nèi)充以 200—400Pa的氦和氖的混合氣體，氦氖比例７：１。兩端加上高電壓使氣體放電，游離的電子在電場作用下運動，并與處于基態(tài)的氦或氖原子碰撞（ 高能自由電子與基態(tài)氦碰撞概率大，與基態(tài)氖碰撞概率?。?。氦原子較易吸收電子動能而被激發(fā)到它的亞穩(wěn)態(tài)（２ 3S0， 23S1），這些氦原子并不馬上躍回到基態(tài)，而是與氖原子發(fā)生碰撞，將能量轉(zhuǎn)移給氖原子，使氖原子激發(fā)到４Ｓ和５Ｓ兩能級，氦原子自身返回基態(tài)。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 20 53S 1s 共振轉(zhuǎn)移 ?m 6328A ?m Ne 5(4P) 5(3P) He 21S0 23S1 1s （ 54S) (55S) 泵浦 以氖原子５Ｓ能級為例，一方面由于氦原子的碰撞使氖原子從基態(tài)到達能級５Ｓ，另一方面氣體中的電子直接與氖原子碰撞也可使一部分氖原子到達５Ｓ能級。氖原子的５Ｓ態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)，故很容易造成５Ｓ對３Ｐ或４Ｐ能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當產(chǎn)生５Ｓ到３Ｐ的受激輻射，即產(chǎn)生波長為６３２８Ａ 0的激光。而躍遷到３Ｐ的氖原子又通過或自發(fā)輻射或同管壁碰撞回到基態(tài)，使能級３Ｐ及時地騰出來，以保持５Ｓ對３Ｐ或４Ｐ的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 21 （四）光學(xué)諧振腔 —產(chǎn)生激光的充分條件 在某些元素的亞穩(wěn)態(tài)上建立起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這還只是產(chǎn)生激光的必要條件，還不是充分條件。因為這時“自激式”地產(chǎn)生的各個激勵光子在位相，偏振態(tài)，傳播方向上還是隨機的，這時產(chǎn)生的光放大在相位，偏振態(tài)，傳播方向上也是雜亂無章的，無實用價值。 為了獲得具有高亮度，高方向性，高單色性，高相干性的激光，還必須有有一個 《 光學(xué)諧振腔 》 。 一、光學(xué)諧振腔： 下圖為 He—Ne激光器的光學(xué)諧振腔。管的兩端用嚴格平行的反射鏡封住，其中一塊的反射率幾近為 1（全反射），另一塊的反射率略小于 1（部分透射），管內(nèi)兩片反射鏡之間的這一段就構(gòu)成諧振腔。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 22 全反射鏡 R1?1 部分反射鏡 R21 激光 激勵能源 當工作物質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時，有一部分處于亞穩(wěn)態(tài)的原子向各個方向發(fā)射出自發(fā)輻射的光子作為引發(fā)光子，其中只有沿軸向方向的光子才能經(jīng)兩端的反射鏡反射后在腔內(nèi)往復(fù)來回，且不斷地引發(fā)受激發(fā)射，從而實現(xiàn)光放大，其它方向的光子則離開諧振腔并一去不復(fù)回。 在諧振腔內(nèi)的受激輻射光不斷地來回反射，可以產(chǎn)生雪崩式地光放大，從而產(chǎn)生很強的同頻率的同方向的激光。其中反射率略低于另一端的反射鏡即可作為窗口，使部分激光透過窗口輸出。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 23 ※ 光學(xué)諧振腔的作用： (1)使激光具有極好的 方向性 （沿軸線，選橫模） (2)增強 光放大 作用（延長了工作物質(zhì)） (3)使激光具
研究報告相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1