激光原理概论基本概念

激光原理光的受激辐射黑体:某物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射。热辐射：不同温度下的物体能辐射不同的电磁波，这种能量按频率的分布的分布随温度的不同的电磁辐射单色能量密度：在单位体积内，频率处于v附近的单位间隔中的电磁辐射能量。电磁场和物质相互作用划分为三个过程：自发辐射，受激辐射，受激发射。自发辐射Hγ=E1-E2定义：在无外磁场作用时，粒子自发的从高能级E2跃迁到E1发射光子hv。特点：各粒子自发，独立发射光子。各光子的方向、偏振、初相等装态是无规则的，独立的，粒子体系为非相干光源。tAentn20221)(tAtAeqenAhtnAhtnhtq0202122122121)(dd)(q0=hvA21n20粒子数和功率都是随时间指数衰减A21自发辐射系数，激发态平均寿命τ的倒数，只和粒子本身有关。受激吸收定义原子处于低能级的E1的粒子，受到恰为hv=E2-E1的光子的照射而吸收该光子的能量，跃迁到E2。dn2=B12ρvn1dt其中B12称为受激吸收系数由不同原子跃迁。tnnBWvdd1211212受激吸收而跃迁到E2能能级的几率。受激辐射定义：原处于高能级E2的粒子受到能量恰为hv=E2-E1的光子激励发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级。特点：1.受激辐射只能在频率满足hv=E2-E1的光子激励下发生。2.不同粒子发射的光子与入射光子频率、位相、偏振等状态相同，这样光场中相同的光子数目增加。光强增大，即光放大过程。3.受激辐射的粒子系统是相干光源。受激辐射光子与入射光子处于同一光子态。4.受激辐射是产生激光的最重要的机理5.受激辐射与自发辐射重要区别就是相干性，受激发射使激光具备了高亮度，方向性，单色性，相干性受激辐射系数B21dn21=B21ρvn2dt数值由原子的不同跃迁而定。tnnBWvdd1222121W21是单位时间内粒子受激发射由E2跃迁到E1的几率。当b一定时p越大w越大。激光的特征单色性：光强按频率分布状况，激光的频谱宽度非常窄。相干性：时间和空间相干性都很好方向性：激光基本是沿一条直线传播，激光的发散角很小。高亮度：在单位面积单位立体角输出功率特别大。这四性本质上激光具有高的简并度。激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强，由于受激辐射和光腔的选模作用。空间相干性：同一时刻两个空间不同点上的光波场之间相干性。杨氏双缝干涉1.空间相干性和方向性是紧密相连的。与激光的横模结构相联系。2.为了提高激光器的空间相干性应限制激光工作器在单单横模，合理选择光腔类型以及增加腔长提高光束的方向性。3.达到最小光束发散角还受衍射限制，不能小于激光通过输出孔衍射角θmθ≈α2a2a为输出孔径α波长4.激光束的空间呢相干性和方向性对它聚焦性有重要影响焦距F发散角θ焦平面光斑直径DD=FθDm=F2aα时间相干性时间相干性和单色性是紧密联系的定义：在空间同一点上，两个不同是时刻的光波场之间的相干性c=1/，--频带宽度单色性越高，相干时间越大高亮度原因：由于极高的高简并度，在加上能量在时间和空间上的高度集中1.高简并度2.激光光束的立体角非常小3.激光常以脉冲的形式发射出来激光形成的条件基本条件-----受激辐射占优势总结1.n2-n1g2g10光穿过介质时随光强随路程衰减宏观表现为吸收2.n2-n1g2g10光强随路程增长宏观表现为放大-----光放大粒子数反转条件：反转粒子数1122nggnn反转条件就是△n＞01.工作物质粒子有适当的能级结构2.有合适的激励能源实现反转的手段：激励或泵浦或抽运向粒子系统输入能量实现光放大的条件1．激励能源——把介质中的粒子不断有低能级抽运到高能级上2．增益系数——能在外界激励能源作用下形成粒子数密度反转分布光学谐振腔定义作用：选模作用：在开放式光腔中的光波数目几个或者几十个绝大多数电磁波模损耗极大，只有极少数模式损耗很低而保留腔内，这些模式大为提高——这就选模作用产生激光的基本条件1.能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状态的增益介质（增益大于损耗）2.要使受激辐射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转01212ggnn（粒子数反转）方法：利用外界激励能源，把大量粒子激励到高能级上3.要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子的简并度（自激震荡）方法：利用光腔造成强辐射场，提高腔内光场的相干性激光器的三个主要组成1.工作介质：粒子有适当的能级结构，可实现粒子反转2.激励能源：抽运把大量粒子激励到高能级上3.光学谐振腔：选模提高相干性实现光学正反馈谱线加宽定义：实际上光强分布总是有一个有限宽度的频率范围内，每一条都有一个中心频率。这种现象叫谱线加宽自然加宽由于能级有一定的宽度所以当原子在能级间自发发射时，他的频率也有一个变化范围△vN，△vN辐射的自然宽度。△vN由粒子能级的寿命不确定产生的，大小能级的平均寿命决定。碰撞增宽机理：由气体粒子间或气体粒子与器壁间的碰撞，或固体粒子间的偶极互相作用引起的谱线增宽。原因：1.由于气体分子或原子间的碰撞作用使发光粒子突然中断发光而缩短寿命3.由于碰撞使波列发生无规则的相位突变所引起的波列缩短，等效于寿命缩短多普勒增宽尽管发光粒子体系中各粒子的固有中心频率是一样是，但是由于原子运动速度个不相同，不同速度的原子所发出的光波接受时的频率也各不相同，即表观中心频率不同，所以各粒子光谱线叠加而成的整个光源光谱线便加宽了。线性函数就是气体原子按表观中心频率的分布函数具有高斯函数形式小信号粒子数反转是物理条件1.激光上能级E2的寿命要长，使该能级上的粒子不能轻易的通过非受激辐射而离开2.激光下能级E1的寿命要短，使该能级上的粒子很快的衰减3.选择合适激励能源，使它对介质的E2能抽运速度R2越大越好，而E1的抽运速度越小越好。Τ2τ1R2R1介质的增益系数G代表介质对光波的放大能力代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小饱和效应：随着I的增大，G和∆n不增反降饱和原因：入射光引起强烈的受激发射使激光上能级粒子数减少。增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数：当入射光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。对增益饱和分几种情况讨论1.v=v0及IIS时：入射光强很小，且入射光频率与谱线中心频率重合时，无饱和（G和I无关），且G有最大值)(0νG。中心频率小信号增益系数决定于工作物质特性及激发速率。2.v=v0但I~IS显著饱和即I~IS时G明显随I增大而下降3.v≠v0I~IS只要I~IS不论v为何值均有饱和光腔作用：光学正反馈：建立和维持自激振荡（提高简并度）决定因素：两镜反射率，几何形状及组合形式。控制光束的特性：包括纵模数目，横模，损耗，输出功率特点：光腔的稳定条件：使傍轴模在腔内往返无限多次不逸出腔外的条件，即近轴光线几何光学损耗为零，其1021gg稳定腔1021gg非稳腔121gg或021gg临界腔121gg或g1g2=0