第18章 激光原理

§18.2 产生激光的基本条件

§18.1 自发辐射、受激辐射和受激吸收

§18.3 激光的特点

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激光（laser）

受激辐射光放大

（light amplification by stimulated emisson of radiation)

1960年 T.H.Maiman

A.Javan1961年

红宝石激光器

He-Ne激光器

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此能量转变为原子的热运动能而不产生任何辐射

以发射电磁波的形式释放能量

原子从较高能级 向较低能级 跃迁时要释放出能量2E 1E

无辐射跃迁

辐射跃迁

hEE 12 −=ν所辐射的光波频率

§18.1 自发辐射、受激辐射和受激吸收

原子从较高能级 向较低能级 跃迁时2E 1E

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当大量原子构成的原子系统处于热平衡态时，分布在能级 上的原子数遵从玻耳兹曼分布nE

kTE

n

n

eN−

∝

对于给定的系统，在一定温度下

112

1

2 <=−

−kT

EE

eNN

如果 和 为任意两个非简并能级（ ）1E 2E 12 EE >

在热平衡态中高能级上的原子数 总小于低能级上2N

kTE

eN2

2

−∝kT

E

eN1

1

−∝

1N的原子数

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1.自发辐射

hEE 12 −=ν

亚稳态s810−

s~s 110 3−

2.受激吸收

hEE 12 −=ν

dtNANd 22121 =′

爱因斯坦自发辐射系数

dtNBdN 11212 )(νρ=爱因斯坦受激吸收系数

)(νρ

1N

2N

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3.受激辐射

hEE 12 −=ν

受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态

有一个外来的光子入射，使处于激发态的某原子产生受激辐射

得到了两个特征完全相同的光子

在传播过程中，这两个光子再引起其它原子产生受激辐射

受激辐射的特点：

dtNBdN 22121 )(νρ=

爱因斯坦受激辐射系数

)(νρ

2N

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只要传播路程足够长，在一个外来的入射光子作用下

就会引起大量原子产生受激辐射，产生大量特征完全相同的光子

光放大

得到4个特征完全相同的光子，…

当光与原子体系相互作用时，上述三种过实际上是同时存在的

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dtNAdtNBdtNB 221221112 )()( += νρνρ

212

112

21)(B

NNB

AT,−

=νρ

该种粒子具有能级 和 ，并能在两者间产生跃迁1E 2E

处于热平衡态

假定在一温度为 T 的处于热平衡状态的空腔内，充有大量的某种微观粒子。

空间内一定同时存在频率为 的辐射场h/)EE( 12 −=ν

处于热平衡态时，空腔内的辐射场应有不随时间而变的稳定分布

即在单位体积内频率为 的光子数应保持不变ν

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2112 BB =

213

3

218 B

chA νπ

=爱因斯坦关系

1

12)( 2

3

0

−=

kTh

echT,M ν

νπν

1

18)( 3

3

−=

kTh

echT, ν

νπνρ

)(4

)(0 T,cT,M νρν =

1

1)(

21

1221

21

−=

kTh

eBBB

AT, ννρ

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1.粒子数反转

dtNBdN 22121 )(νρ=

dtNBdN 11212 )(νρ=

2112 BB =

dtNNBdNdN ))(( 12211221 −=− νρ

当介质处于热平衡状态时

12 NN < 01221 <− dNdN

受激吸收占优势，总的效果为光的吸收

§18.2 产生激光的基本条件

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12 NN >

要使受激辐射胜过受激吸收而占优势，必须使

01221 >− dNdN 受激辐射占优势，总的效果为光放大（ ）

这种分布称为粒子数反转

E1

E2

粒子数反转

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产生激光的必要条件：实现粒子数反转

能实现粒子数反转的介质 激活介质（增益介质）

从内部讲，这种介质要有合适的能级结构

从外部讲，对此能级结构要有合适的能量输入系统

不是任何介质都能充当激活介质的

要实现粒子数反转

这个过程成为激励（泵浦、抽运）

从外界向介质输入能量，打破热平衡，把处于低能级 上的原子大量地激发到高能级 上1E 2E

激励的方法：光激励、气体放电激励、化学激励、…

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现在假定，激励过程能够保证，那么需要介质有什么样的能级结构才能实现粒子数反转？

二能级系统

dtNd

dtdN

dtdN

dtdN 2121122 ′

−−=

2212112 )( NANNw −−=

)(1212 νρBw =

02 =dt

dN

2112

12

1

2

Aww

NN

+=

二能级系统不能实现粒子数反转

2212112 ))(( NANNB −−= νρ

抽运速率

达到稳定时

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三能级系统

基态1E 激发态32 EE、 亚稳态2E

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要实现粒子数反转，必须内有亚稳态，外有激励能源

四能级系统

基态1E

3E 亚稳态

激发态432 EEE 、、

激活介质的作用是提供亚稳态

2.光学谐振腔

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谐振腔长度 ),,,n(nL L3212

==λ

谐振腔的作用

（1）维持光振荡，起到光放大作用

（2）使激光产生极好的方向性（3）使激光的单色性好

3.产生激光的阈值条件

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dz)z(GI)z(dI =

GzeI)z(I 0=

GLeII 01 =GLeIRIRI 02122 ==

GLGL eIReII 20223 ==

GLeIRRIRI 2021314 ==

GLeRRII 2

210

4 =

1221 >GLeRR 04 II >

处的光强0=z

增益系数

的反射系数11 MR →

的反射系数22 MR →

1221 =GLeRR 产生激光的阈值条件

相应的增益系数称为阈值增益

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mGG >

阈值增益记为 mG

1221 >GLeRR

激光器的种类

按其工作物质的物性来分

气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、…

按激光器的工作方式来分

连续波激光器、脉冲式激光器、波长可调谐激光器、…

……

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2.单色性好

3.相干性好

1.能量高度集中

§18.3 激光的特点