第六讲激光课件.ppt
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1、第六讲激光第1页,此课件共59页哦 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射前言前言 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser),它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)第六讲第六讲 激激 光光第2页,此课件共59页哦一一.特点:特点:方向性极好方向性极好(发散角(发散角10-4弧度)弧度)脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大(可达(可达10 14瓦)瓦)空间相干性好,有的激光波面上空间相干性好,有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个
2、点都是相干光源。时间相干性好(时间相干性好(10-8埃),埃),相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好亮度极高亮度极高第3页,此课件共59页哦 按工作方式分按工作方式分 连续式(功率可达连续式(功率可达104 W)脉冲式(瞬时功率可达脉冲式(瞬时功率可达1014 W)三三.波长:波长:极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米(100 n m)(1.222 m m)二二.种类:种类:固体(如红宝石固体(如红宝石Al2O3)液体(如某些染料)液体(如某些染料)气体(如气体(如He-Ne,CO2)半导体(如砷化镓半导体(如砷化镓 GaAs)按工作物质分按工作物质分第4页,此课件
3、共59页哦1 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子组成的系统,在温度不太低的由大量原子组成的系统,在温度不太低的 平衡态,原子数目按能级的分布服从平衡态,原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布:玻耳兹曼统计分布:kTEnneN 第5页,此课件共59页哦 若若 E2 E 1,则两能级上的原子数目之比,则两能级上的原子数目之比 11212 kTEEeNN 数量级估计:数量级估计:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;10860112 51012.kTEEeeNN第6页,此课件共59页哦但要产生激光必须使原子
4、激发但要产生激光必须使原子激发;且且 N2 N1,称粒子数反转称粒子数反转(population inversion)。原子激发的几种基本方式:原子激发的几种基本方式:1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)第7页,此课件共59页哦 2 自发辐射自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收一一.自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内,单位体积中单位时间内,从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数:的原子数:2NdtdN 自发自
5、发21E2E1N2N1h 第8页,此课件共59页哦写成等式写成等式 22121NAdtdN 自发自发 21 自发辐射系数,单个原子在单位自发辐射系数,单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。第9页,此课件共59页哦二受激辐射二受激辐射(stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 (、)温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1)/h附近,单位频率间隔的附近,单位频率间隔的 外来光的能量密度。外来光的能量密度。第10页,此课件共5
6、9页哦 单位体积中单位时间内,从单位体积中单位时间内,从E E 受激辐射的原子数:受激辐射的原子数:2N)T(dtdN、受受激激 21写成等式写成等式 221NTBdtdN、受激受激 21 B21受激辐射系数受激辐射系数第11页,此课件共59页哦W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。221NWdtdN21 受激受激则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21=B21 (、T)第12页,此课件共59页哦三三.吸收吸收(a
7、bsorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收,使原子上述外来光也有可能被吸收,使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数:的原子数:112NT,dtdN 吸吸收收第13页,此课件共59页哦写成等式写成等式11212NWdtdN 吸收吸收 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。11212NT,BdtdN 吸收吸收第14页,此课件共59页哦A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱
8、因斯坦在爱因斯坦在 1年从理论上得出年从理论上得出1233218BChA 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B12第15页,此课件共59页哦3 粒子数反转粒子数反转一一.为何要粒子数反转为何要粒子数反转 (population inversion)22122121NWNT,BdtdN 受激受激 11211212NWNT,BdtdN 吸吸收收从从E2 E1 自发辐射的光,
9、可能引起自发辐射的光,可能引起受激辐射过程,也可能引起吸收过程。受激辐射过程,也可能引起吸收过程。第16页,此课件共59页哦必须必须 N2 N1(粒子数反转)。粒子数反转)。因因 B21=B12 W21=W12产生激光必须产生激光必须 吸收吸收受激受激 dtdNdtdN1221第17页,此课件共59页哦二粒子数反转举例二粒子数反转举例 例例.He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He-Ne 激光器中激光器中He是辅助物质,是辅助物质,Ne是是激活物质,激活物质,He与与 Ne之比为之比为51 1011。第18页,此课件共59页哦亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞
10、转移 亚稳态亚稳态第19页,此课件共59页哦He-Ne激光管的工作原理:激光管的工作原理:由于由于电子的碰撞电子的碰撞,He被激发被激发(到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级)的概率比的概率比 Ne 原子被激发的概率大;原子被激发的概率大;在在He 的的2 23 3S,2 21 1S这两个能级都是亚稳态,这两个能级都是亚稳态,很难回到基态;很难回到基态;在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量几乎相等,当两种原子相碰时非常能量几乎相等,当两种原子相
11、碰时非常 容易产生能量的容易产生能量的“共振转移共振转移”;第20页,此课件共59页哦(要产生激光,除了增加上能级的粒子数外,(要产生激光,除了增加上能级的粒子数外,还要设法减少下能级的粒子数)还要设法减少下能级的粒子数)正好正好Ne的的5 5S,4 4S是是亚稳态,下能级亚稳态,下能级 4 4P,3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S,4 4S要短得多要短得多,这样就可以形成粒子数的反转。这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态,而回到基态,而而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S;第21页,此课件共59页哦 放电管
12、做得比较细放电管做得比较细(毛细管)(毛细管),可使原子,可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞,与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞,3 3 S态态 的的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态,而回到基态,以及时减少以及时减少3 3S态的态的Ne原子数,原子数,有利于激光下能级有利于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。第22页,此课件共59页哦 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条:06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态
13、非基态之间发生的,之间发生的,因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。第23页,此课件共59页哦4 增益系数增益系数激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时,并存着来回传播时,并存着 增益增益光的放大;光的放大;损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射光的吸收、散射、衍射、透射 (包括一端的部分反射镜处必要(包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出)等。的激光输出)等。激光形成阶段:增益损耗激光形成阶段:增益损耗激光稳定阶段:增益损耗激光稳定阶段:增益损耗增益增益损耗损耗第24页,此课件共59页哦 一激光在工作物质内传播时的净增益一激光在工作物质内传播时的净增益 设设0处,光强为处,光强
14、为I0 I +dx I+d I 有有 d I Idx 写成等式写成等式 d I =G I dx 定义:增益系数定义:增益系数 G (gain coefficient)第25页,此课件共59页哦 即单位长度上光强增加的比例。即单位长度上光强增加的比例。IdxdIG 一般一般G不是常数。不是常数。为简单起见,先近似地认为为简单起见,先近似地认为G是常数。是常数。x0II0IdIGdx0IIlnGx Gx0eII 第26页,此课件共59页哦 二二.考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗 I0 激光从左反射镜出发时的光强。激光从左反射镜出发时的光强。I1 经过工作物质后,经过工作物质
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