第八章 现代光学.ppt
《第八章 现代光学.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第八章 现代光学.ppt(22页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、激光原理激光原理激光器是激光器是1960年诞生的一种新型光源。年诞生的一种新型光源。激光具有能量集激光具有能量集中、方向性强、单色性好和相干性好的一系列优点,中、方向性强、单色性好和相干性好的一系列优点,因因而在科技领域有广泛的应用。可以说,激光的产生与应而在科技领域有广泛的应用。可以说,激光的产生与应用为光学的发展开创了一个新的纪元。用为光学的发展开创了一个新的纪元。激光是激光是受激辐射的光放大受激辐射的光放大的简称,其英文全名为:的简称,其英文全名为:“light amplification by stimulated emission of radiation”激光是第一个字母的缩写激光
2、是第一个字母的缩写“Laser”。即激。即激光是基于光是基于受激发射放大原理受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。而产生的一种相干光辐射。目前,常用的激光器按照增益介质的种类可分为目前,常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体激气体激光器光器、固体激光器固体激光器、半导体激光器半导体激光器、液体激光器液体激光器四类。四类。而按激光器的工作方式不同又可分为连续激光器与脉冲而按激光器的工作方式不同又可分为连续激光器与脉冲激光器。激光器。当光当光与与物质的相互作用时物质的相互作用时,原子的能级发生改变原子的能级发生改变:原子可以从高能级跃迁到低能级原子可以从高能级跃迁到低能级,释放出能量释放出能量
3、.原子可以吸收光子从低能级跃迁到高能级原子可以吸收光子从低能级跃迁到高能级.若以辐射电磁波的形式释放能量若以辐射电磁波的形式释放能量辐射跃迁辐射跃迁 若释放的能量转化为体系的热运动动能若释放的能量转化为体系的热运动动能无辐射跃迁无辐射跃迁在在物质发光和光吸收过程中物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程主要涉及三种过程:自发辐射自发辐射,受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收在在实际的粒子系统中实际的粒子系统中,这三种过程是同时存在并互相这三种过程是同时存在并互相关联的关联的.一、受激吸收、自发辐射和受激辐射一、受激吸收、自发辐射和受激辐射E2E1N2N1h 外来光也有可能被吸收,使原子从外来光
4、也有可能被吸收,使原子从E1E2.单位体积中单位时间内因吸收外单位体积中单位时间内因吸收外来光而从来光而从E1E2 的原子数:的原子数: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.1、受激吸收、受激吸收 设设 N1、N2 单位体积中单位体积中处于处于E1、E2 能级的原子数能级的原子数 单位体积单位时间内,从单位体积单位时间内,从E2 E1自发辐射的原子数自发辐射的原子数:E2E1N2N1h 处于高能级处于高能级E2的原子自发地向低能级的原子自发地向低能级E1跃迁而放出光子跃迁而放出光子单个原子在单
5、位单个原子在单位 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.写成等式写成等式 21 自发辐射系数自发辐射系数 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光.2、自发辐射、自发辐射E2E1N2N1全同光子全同光子h 处于高能级处于高能级E2的粒子在外来辐射的作用下的粒子在外来辐射的作用下,跃迁回低能跃迁回低能级级E1,同时发射一个与外来辐射相同频率的光子同时发射一个与外来辐射相同频率的光子.外来光频率满足外来光频率满足:单位体积中单位时间内,单位体积中单位时间内,从从E E受激辐射的原子数:受激辐射的原子数:其中其中(,T)表示温度为表示温
6、度为T频率为频率为 的辐射能量体密的辐射能量体密度度(外来光子数密度外来光子数密度).3、受激辐射、受激辐射若写成等式若写成等式B B2121为受为受激激辐射系数辐射系数W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率.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令令 W21=B21 (,T)有光的放大作用。有光的放大作用。A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数称为爱因斯坦系数.1917年爱因斯坦从理论上得出年爱因斯坦从理论上得出:爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得爱因斯
7、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。激光奠定了理论基础。B21 =B12热平衡时热平衡时,从从E2E1和粒子数应等于从和粒子数应等于从E1E2的粒子数的粒子数即即:或或:爱因斯坦关系爱因斯坦关系4、爱因斯坦关系、爱因斯坦关系处于热平衡下的粒子处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布满足玻耳兹曼分布 若若 E2 E 1,则两能级上的原子数之比则两能级上的原子数之比:即能级越高即能级越高,粒子数越少粒子数越少.数量级估计:数量级估计:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;二、激光的形成二、激光的形成1、粒子数反转、粒子数反转从从E2
8、E1 自发辐射的光,可能引起受激辐射过程,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。也可能引起吸收过程。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(2)外界能源的激励外界能源的激励(称为泵或抽运称为泵或抽运)能能破坏热平衡破坏热平衡,使处于基态的原子选择性地激发到使处于基态的原子选择性地激发到高高能级能级,实现两能级实现两能级E2和和E1的粒子数反转的粒子数反转.实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质.(1)能实现粒子数反转的介质(激活介质)能实现粒子数反转的介质(激
9、活介质)外界激励的几种基本方式:外界激励的几种基本方式:气体放电激励气体放电激励 原子间碰撞激励原子间碰撞激励 光激励光激励(光泵光泵)2、实现粒子数反转的条件、实现粒子数反转的条件3、能实现粒子数反转的能级系统、能实现粒子数反转的能级系统亚稳态能级:大多数物质原子的激发态都是不稳定的,原子能够在激发态停留的时间很短,称之为能级寿命很短(10-8s)。而亚稳态能级的寿命可达ms甚至s数量级。当粒子被激发后,能够在亚稳态能级停留较长时间,以便创造粒子数反转分布的条件。具有亚稳态能级的物质可以作为激光工作物质。激光工作物质在激励能源的作用下,实现并维持粒子数反转分布状态,通常称为激活介质。激光工作
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第八章 现代光学 第八 现代 光学
限制150内