激光原理與技術

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1、激光的特性：方向性好、單色好、相干性好、亮度高。由于諧振腔對光振蕩方向的限制，激光只有沿腔軸方向受激輻射才能振蕩放大，所以激光具有很高的方向性。半導體激光器的方向性最差。衍射極限em1.22為波長，D為光束直徑）；激光是由原子受激輻射而產(chǎn)生，因而譜線極窄，所以單色性極好。單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好，半導體激光器的單色性最差；激光是通過受激輻射過程形成的,其中每個光子的運動狀態(tài)（頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一種相干光這是激光與普通光源最重要的區(qū)別；激光的高方向性、單色性等特點，決定了它具有極高的單色定向亮度。相干性包括時間相干

2、和空間相干，有時用相干長度Lc二島來表示相干時間。自發(fā)輻射：處于高能級E2的原子自發(fā)地向低能級躍遷，并發(fā)射出一個能量為hv=E2-珀的光子，這個過程稱為自發(fā)躍遷。自發(fā)輻射躍遷概率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）A21=（^）-=dtspn2（門2為〔2能級總粒子數(shù)密度；亦21為dt時間內自發(fā)輻射躍遷粒子數(shù)密度）；受激輻射：在頻率為v=（E2-EJ/h的光照激勵下，或在能量為hv=E2-E］的光了誘發(fā)下，處于高能級E2上的原子可能躍遷到低能級E］,同時輻射出一個與誘發(fā)光子的狀態(tài)完全相同的光子，這個過程稱為受激輻射躍遷W21二（警）-=--^o受激輻射躍dtstn2n2dt遷與

3、自發(fā)輻射躍遷的區(qū)別在于，它是在輻射場（光場）的激勵下產(chǎn)生的，因此，其月前概率不僅與原子本身的性質有關，還與外來光場的單色能量密度5成正比，W21=B21Pv,B21稱為愛因斯坦系數(shù)；受激吸收：處于低能級E］的原子，在頻率為v的光場作用（照射）下，吸收一個能量為hV2i的光了后躍遷到高能級E2的過程稱為受激吸收躍遷,受激吸收恰好是受激輻射的反過程。受激吸收躍遷概率W12二如12)dtS上士器與上個概念類似，W12=B]2Pv，B12稱為A2i_8Trhv3愛因斯坦系數(shù)。三個愛因斯坦系數(shù)之間的關系為f!B12=f2B21,（fi為百能級的統(tǒng)計權重）；激光產(chǎn)生的兩個基本（

4、必要）件：粒了數(shù)反轉，光學諧振腔（減少模式數(shù)量）。原因：只要使發(fā)光物質處于粒子數(shù)反轉的狀態(tài)，受激輻射就會大于受激吸收，當頻率為v的光束通過發(fā)光物質，光強就會得到放大，這便是激光放大器的基本原理。即便沒有入射光，只要發(fā)光物質中有一個頻率合適的光子存在，便可像連鎖反應一樣，迅速產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子，形成激光，這就是激光器的基本原理。解決受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾，使受激輻射占絕對優(yōu)勢，還需要利用光學諧振腔來實現(xiàn)光的自激震蕩,即激光震蕩。激光產(chǎn)生的兩個充分條件：閾值條件，增益飽和。原因：因為諧振腔內存在著損耗，只有當光在諧振腔內來回一次所得到的增益大于同一過程中的損耗時

5、，才能維持光震蕩，這個條件是激光器實現(xiàn)自激震蕩所需要的最低條件，又稱閾值條件。三能級系統(tǒng)的構成、特點：受激輻射在Ei和E?兩個能級之間產(chǎn)生，其中％作為基態(tài)，作為激光下能級，泵浦源將激活粒子從E］能級抽運到兔能級，E3能級的壽命很短，激活粒子很快地經(jīng)非輻射躍遷到達E2能級。E2能級的壽命比電長得多，為亞穩(wěn)態(tài)作為激光上能級。四能級系統(tǒng)的構成、特點:與三能級系統(tǒng)類似，其中比為激光上能級，E2為激光下能級，泵浦源將激光激活粒子從基態(tài)E］抽運到E4能級，E4能級的壽命很短，立即通A2i_8Trhv3愛因斯坦系數(shù)。三個愛因斯坦系數(shù)之間的關系為f!B12=f2B21,（fi為百能

6、級的統(tǒng)計權重）；激光產(chǎn)生的兩個基本（必要）件：粒了數(shù)反轉，光學諧振腔（減少模式數(shù)量）。原因：只要使發(fā)光物質處于粒子數(shù)反轉的狀態(tài)，受激輻射就會大于受激吸收，當頻率為v的光束通過發(fā)光物質，光強就會得到放大，這便是激光放大器的基本原理。即便沒有入射光，只要發(fā)光物質中有一個頻率合適的光子存在，便可像連鎖反應一樣，迅速產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子，形成激光，這就是激光器的基本原理。解決受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾，使受激輻射占絕對優(yōu)勢，還需要利用光學諧振腔來實現(xiàn)光的自激震蕩,即激光震蕩。激光產(chǎn)生的兩個充分條件：閾值條件，增益飽和。原因：因為諧振腔內存在著損耗，只有當光在諧振腔內來回一

7、次所得到的增益大于同一過程中的損耗時，才能維持光震蕩，這個條件是激光器實現(xiàn)自激震蕩所需要的最低條件，又稱閾值條件。三能級系統(tǒng)的構成、特點：受激輻射在Ei和E?兩個能級之間產(chǎn)生，其中％作為基態(tài)，作為激光下能級，泵浦源將激活粒子從E］能級抽運到兔能級，E3能級的壽命很短，激活粒子很快地經(jīng)非輻射躍遷到達E2能級。E2能級的壽命比電長得多，為亞穩(wěn)態(tài)作為激光上能級。四能級系統(tǒng)的構成、特點:與三能級系統(tǒng)類似，其中比為激光上能級，E2為激光下能級，泵浦源將激光激活粒子從基態(tài)E］抽運到E4能級，E4能級的壽命很短，立即通過非輻射躍遷方式到達Es能級。Es能級壽命較長，是亞穩(wěn)態(tài)。