【正文】 發(fā) ３ .要實現(xiàn)光放大 L — 解決受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾 受激輻射的光子處于相同狀態(tài) ——相干光場 . 自發(fā)輻射的光子處于非相干狀態(tài) . 要使受激輻射為主 , 則要求 W21=B21?(?) A21 即要求 : 2121)(BA???即相干光場的單色輻射能量密度大于某個最小值 . 要增大 ?(?)必須使激活介質(zhì)長度遠(yuǎn)大于其橫向尺寸 . 即由自發(fā)輻射光子不斷引起受激輻射 ,使 ?(?)不斷增大 . 光學(xué)諧振腔 它由兩個反射鏡和激活介質(zhì)構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔。 激勵能源 ? 全反射鏡 部分反射鏡 ? 激光 實際介質(zhì)并不足夠長 ,只有采用光學(xué)諧振腔 .要得到方向性和單色性很好的激光，也必須采用 光學(xué)諧振腔。 不平行于軸向的光，經(jīng)有限次反射后，很快逸出腔外 . 平行于軸向的光，始終能保持在腔內(nèi)，經(jīng)多次反射，使激活物質(zhì)產(chǎn)生新的受激輻射而獲得“雪崩式”放大，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光。 一個能使受激幅射和光放大過程持續(xù)的構(gòu)造： 全反 射鏡 半反 射鏡 實物圖 原理圖 激光工作物質(zhì) 光學(xué)諧振腔： (1) 使非軸向光逸出腔外 ,軸向光來回反射 。 (2) 延長介質(zhì)長度 ,增強(qiáng)光放大 。 光學(xué)諧振腔的 作用 ： (3) 使激光具有極好的方向性 ,只沿軸線發(fā)射 。 (4) 使激光具有極好的單色性（選頻性） . 對于可能有多種躍遷的情況，利用光的干涉條件 諧振腔的長度與波長滿足 : 2?kL ?不滿足此頻率的光將得不到加強(qiáng)而被淘汰 . 增益和損耗 激光器內(nèi)受激輻射光來回傳播時，并存著增益和損耗 增益 ——光的放大； 損耗 ——光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射鏡處必要 的激光輸出）等。 1）．激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時的凈增益 設(shè) ｘ ＝ 0處，光強(qiáng)為 I0 ｘ ： I ｘ +dx ： I + d I 有 d I ? Idx 寫成等式 d I = G I dx 定義：增益系數(shù) G (gain coefficient) 激光形成階段：增益 ＞ 損耗 激光穩(wěn)定階段：增益 ＝ 損耗 即單位長度上光強(qiáng)增加的比例。 一般 G不是常數(shù)。為簡單起見，先近似地認(rèn)為 G是常數(shù)。 Idx dI G ? ? ? ? x 0 I I 0 I dI Gdx 0 I I ln Gx ? Gx 0 e I I ? 2） . 考慮激光在兩端反射鏡處的損耗 I0 ? 激光從左反射鏡出發(fā)時的光強(qiáng)。 I1 ? 經(jīng)過工作物質(zhì)后，被右反射鏡反射出發(fā)時的光強(qiáng)。 I0 輸出 全反射鏡 部分反射鏡 I1 L I2 ? 再經(jīng)過工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射 出發(fā)時的光強(qiáng)。 I2 R R2 ? 左、右兩端反射鏡的反射率。 顯然有 I 1 = R 2 I 0 eGL I 2 = R 1 I 1 eGL = R 1 R 2 I 0 e2GL I 2 = R 1 I 1 eGL 所以 在激光形成階段 即： R1 R2 e2GL 1 或 須 I2 / I0 1 輸出 部分反射鏡 I1 L I2 m G R R ln L G ? ? 2 1 1 2 1 Gx 0 e I I ? Q 式中 Gm——稱為閾值增益， 即產(chǎn)生激光的最小增益。 在激光穩(wěn)定階段 即 光強(qiáng)增大到一定程度后 須 I2 / I0 = 1 兩個問題： （ 1）、在激光的形成階段 G Gm , 光放大，怎么光強(qiáng)不會無限放大下去？ 原因是實際的增益系數(shù) G不是常量 ,當(dāng) I? 時，會 G?。 不會 ! m G R R ln L G ? ? 2 1 1 2 1 （ 2）、在激光的穩(wěn)定階段怎么又會 G = Gm ? 這是由于光強(qiáng)增大伴隨著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度的減弱。（負(fù)反饋） 當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度， G下降到 Ｇ m時， 增益 =損耗，激光就達(dá)到穩(wěn)定了。 通常稱 為閾值條件。 ( threshold condition) m G R R L G ? ? 2 1 1 ln 2 1 激光材料 電激勵為主的半導(dǎo)體激光材料 通過分立發(fā)光中心吸收光泵能量后轉(zhuǎn)換成激光輸出的發(fā)光材料 光纖、磁光、光電和非線性光學(xué)效應(yīng) 光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維簡稱光纖，是利用 光的全反射原理 制作的一種新型光學(xué)元件，是由兩種或者兩種以上折射率不同的透明材料通過特殊復(fù)合技術(shù)制成的復(fù)合纖維。 光纖的直徑一般為幾微米至幾十微米，由芯線和外涂層組成。一般要求芯料的透光率高，在纖芯外面覆蓋直徑 100150?m的包層和涂覆層。包層的折射率比纖芯略低，并且要求芯料和涂料的折射率相差越大越好。 熱性能 ：要求兩種材料的熱膨脹系數(shù)相接近 光纖的分類： 按材質(zhì)分： 無機(jī)光導(dǎo)纖維：單組份、多組分 高分子光導(dǎo)纖維 光纖的應(yīng)用： 光纖通信 磁光效應(yīng)與磁光盤 磁光效應(yīng)是指處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)與光之間發(fā)生相互作用而引起的各種光學(xué)現(xiàn)象。包括法拉第效應(yīng)、克爾磁光效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和科頓 木頓效應(yīng)。這些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，在外磁場作用下呈現(xiàn)光學(xué)各向異性，使得通過材料的光波偏振態(tài)發(fā)生改變，反映了光與磁性物質(zhì)間的聯(lián)系 。 法拉第效應(yīng) 由磁場引起的振動面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，稱為 磁致旋光 ，也稱為 法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng) 。 一束偏振光透過置于磁場中的物質(zhì)時，若磁場方向與光束平行，則光的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角 ?與樣品長度 L、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B之間有下列關(guān)系： ? ? L 磁致旋光物質(zhì) B ? = VLB 磁致旋光效應(yīng)發(fā)生地原因是由于物質(zhì)內(nèi)部原子或分子中的電子，在強(qiáng)大的外磁場作用下引起旋進(jìn)式運(yùn)動所致 磁光克爾效應(yīng) 線偏振光入射到磁化介質(zhì)表面時其反射光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種由反射而引起的偏振面旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)叫克爾效應(yīng)。按磁化強(qiáng)度和入射面的相對取向來區(qū)分克爾效應(yīng)還可分成極向、橫向和縱向三類。極向和縱向克爾磁光偏轉(zhuǎn)都正比于磁化強(qiáng)度，偏振面的旋轉(zhuǎn)方向與磁化強(qiáng)度方向有關(guān)。 磁光晶體材料及其主要應(yīng)用 光電效應(yīng)與太陽能電池 光電效應(yīng) 材料在光照射后釋放出電子的效應(yīng) ?光電子能否產(chǎn)生 ， 取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 A0。 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功 ，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值 ， 稱為紅限頻率或波長限 。 光線頻率低于紅限頻率 ， 光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出 ， 因而小于紅限頻率的入射光 ， 光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之 ， 入射光頻率高于紅限頻率 ， 即使光線微弱 ， 也會有光電子射出 。 太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 光照 n p n p + _ E n區(qū)空穴 P區(qū)電子 太陽能電池用材料 （ 1）硅太陽能電池 （ 2）多元化合物薄膜太陽能電池 非線性光學(xué)效應(yīng) 線性光學(xué) 光與介質(zhì)相互作用，入射光的電場強(qiáng)度比介質(zhì)中原子內(nèi)的場強(qiáng)小得多。 EEP ??? ??? ?? 0非線性光學(xué) 強(qiáng)光入射介質(zhì)時 ????? 32 EEEP ???、非線性晶體 tc o sEtc o sEE ????? 22121 20220 ???倍頻和混頻 當(dāng)激光與非線性介質(zhì)作用，入射光通過介質(zhì)后，其 輸出頻率較入射頻率有所變化 ，會出現(xiàn)倍頻光、和頻光與差頻光。 入射單色強(qiáng)光電場強(qiáng)度 tc o sEE ?0?tc o sEtc o sEEEP ?????? 22022 ????)tc o s(Etc o sE ???? 212200 ???恒定電場 基頻成分 倍頻成分 ][ 21212022 t)c o s (t)c o s (EE ????? ????入射兩種不同頻率的強(qiáng)光 tc o sEE 1101 ??)tc o sEtc o sE(P 220220 ??? ??)tc o s(E)tc o s(E 22202210 21212121 ???? ????和頻成分 差頻成分 tc o sEE 2202 ??21 EEE ??介質(zhì)除輻射直流、基頻和倍頻成分，還將輻射頻率為和頻與差頻的光波，稱為 光學(xué)混頻 。 非線性光學(xué)晶體及其主要應(yīng)用 為人工生長的多功能性晶體（半個多世紀(jì)）， 具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和較高的抗激光損傷閾值， 從近紅外到紫外波段都有很高的透過率， 可對 ?m激光實現(xiàn)二倍頻、三倍頻和四倍頻。 磷酸二氫鉀（ KDP）晶體 20世紀(jì) 70年代發(fā)現(xiàn)、 80年代得到廣泛應(yīng)用， 具有非常大的非線性光學(xué)系數(shù)（約為 KDP的 5～ 20倍）； 在室溫下能實現(xiàn)相位匹配，對溫度和角度變化不敏感； 在 ～ ?m波段內(nèi)透光性能良好； 機(jī)械性能優(yōu)良，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不潮解，耐高溫， 主要用于 YAG激光器的腔內(nèi)、腔外倍頻， 以便獲得高功率的綠色激光光源。 磷酸鈦氧鉀（ KTP）晶體