c1.5激光产生的条件

§1.4光谱线增宽§1.3光的受激辐射§1.5激光形成的条件第一章辐射理论概要与激光产生的条件§1.2原子能级和辐射跃迁§1.1光的波粒二象性1§1.5激光形成的条件首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收；本节由光束进入介质后的变化规律出发研究介质中的受激辐射大于受激吸收的条件；从受激辐射大于受激吸收的条件出发再确定激光器的基本结构，即对应了激光产生的基本条件。图(1-19)光在介质中传播的物理图像一般情况下光束进入介质后的变化规律，当光线沿z轴方向传输，而且没有发散时，可以取介质中的一片来分析：在介质中z处取厚度为dz、单位面积截面的一薄层，设光强由I变到I+dI。图1-20光穿过厚度为dz的介质的情况1.5.1介质中光的受激辐射放大一、光束在介质中的传播规律图(1-20)光穿过厚度为dz介质的情况一、光束在介质中的传播规律频率为的准单色光射向单位截面厚度为dz的一薄层介质，在dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度（等于低能级上因受激吸收而减少的粒子数密度）为dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度（等于高能级上因受激辐射而减少的粒子数密度）为光穿过dz介质后净增加的光子数密度为dtfzBndN)()(1211dtfzBndN)()(2122dtfzBnBndNdNdN)()()(12121221νdt为光经过dz所需要的时间，存在如下关系：并且有：dzcυdzdt212121BgBgdzcνfzBnggndtνfzBnBndNdNdN)()()()()()(21112212121221则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为：dtfzBnBndNdNdN)()()(12121221则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为：一、光束在介质中的传播规律dzhνcνfBnggnddzhνcνfzBnggndNhνd)()()()()(211122211122则光穿过dz介质后光能密度的增加值为：解此微分方程得：221211()(0)exp[()()]gznnBfνhνzgc)()(zIcz为介质中z处传播着的光能密度，它与光强的关系为：)(z一、光束在介质中的传播规律考虑平行光通过面积为A，厚度为D介质的情况，光强为单位时间内单位面积上通过的总光能EEEcIvIDAtVcAv一、光束在介质中的传播规律代入光强与光能密度的关系，得到光波穿过介质时光强随路程z的变化规律为这是一个指数函数，根据指数的符号不同表现为两种不同的变化规律])()exp[()0()(211122zchfBnggnIzI上式说明在一般情况下，介质中吸收过程占主要地位，光波按指数规律衰减。一般情况下介质处于热平衡状态，上下能级粒子数的分布关系为也就是说则光强变化可以表示为2121nngg221211()()0gnnBfhgc若令AchfBnggn)()(211122AzeIzI)0()(二、介质中产生受激光放大的条件、增益介质与增益系数1.5.1介质中光的受激辐射放大光波在介质中衰减的速率为衰减的相对速率为A代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减率的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小，将A称为吸收系数。)()0()(zAIeAIdzzdIAzAdzzdIzI)()(1要能形成激光，首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收。图(1-19)光在介质中传播的物理图像GchννfBnggnnnggn)()(2111221122以及令GzeIzI)0()(则有：1122//gngn即增益介质：处于这种状态的介质叫增益介质或激活介质。1122gngn需要外界能源将处于低能级的粒子大量抽运到高能级上去，造成粒子数密度反转分布的状态。增益系数增益系数：G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，将G称为激活介质的增益系数。dzzdIzIGeIzIGz)()(1)0()(增益系数是增益介质的性质对于已知长度L的增益介质，如果测得入射光强I0、出射光强I以及增益介质的长度L，则可以算出增益介质在长度L上的平均增益系数平均增益系数实验示意图II0LLIIG0ln光放大的条件2211ngng总结:光放大的条件1)需要一个激励能源，用于把介质粒子不断由低能级抽运到高能级上去2)需要合适的发光介质（或称激光工作物质），它能在外界激励能源的作用下形成的粒子数密度反转分布状态。满足以上两个条件就一定能形成激光1.5.2光学谐振腔和阈值条件采取什么措施使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程，而不是自发辐射？2121()BfA要使受激辐射几率远大于自发辐射几率，即)(2121vfBW受激辐射几率：自发辐射几率：21A而要满足上式只有靠增大增益介质中传播的光能密度来实现，又：GzezchννfBnggnz)0(])()exp[()0()(211122z越大，也越大，即可以增加增益介质的长度L来增加光能密度。增加增益介质的长度L的方法：多次反射——光学谐振腔光学谐振腔最简单的光学谐振腔结构：在增益介质的两端各加一块平面反射镜M1、M2。其中一块为全反射镜；另一块为部分反射镜（反射率接近于1）。两者严格平行并与增益介质的轴线垂直，这就是一个简单的光学谐振腔——平行平面腔。放大的条件：光在腔内往返一次时放大的量大于损耗的量光学谐振腔的作用：延长增益介质作用长度；控制光束传播方向；选频作用M1M2图1-21受激光在谐振腔中的放大激光产生的条件（激光器的基本结构）1）激光工作物质（增益介质）：其激活粒子有适合产生受激辐射的能级结构，能够实现粒子数反转。2）外界激励源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转。3）光学谐振腔：增长激光介质的作用长度控制光束的传播方向选择受激辐射的光频率提高单色性习题习题P28:13