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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(duì)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(dǎo)體激光器的方向性最差。衍射極限em1.22為波長(zhǎng),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(dǎo)體激光器的單色性最差;激光是通過(guò)受激輻射過(guò)程形成的,其中每個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)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(diǎn),決定了它具有極高的單色定向亮度。相干性包括時(shí)間相干
2、和空間相干,有時(shí)用相干長(zhǎng)度Lc二島來(lái)表示相干時(shí)間。自發(fā)輻射:處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)地向低能級(jí)躍遷,并發(fā)射出一個(gè)能量為hv=E2-珀的光子,這個(gè)過(guò)程稱為自發(fā)躍遷。自發(fā)輻射躍遷概率(自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù))A21=(^)-=dtspn2(門2為〔2能級(jí)總粒子數(shù)密度;亦21為dt時(shí)間內(nèi)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(lì)下,或在能量為hv=E2-E]的光了誘發(fā)下,處于高能級(jí)E2上的原子可能躍遷到低能級(jí)E],同時(shí)輻射出一個(gè)與誘發(fā)光子的狀態(tài)完全相同的光子,這個(gè)過(guò)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(chǎng)(光場(chǎng))的激勵(lì)下產(chǎn)生的,因此,其月前概率不僅與原子本身的性質(zhì)有關(guān),還與外來(lái)光場(chǎng)的單色能量密度5成正比,W21=B21Pv,B21稱為愛(ài)因斯坦系數(shù);受激吸收:處于低能級(jí)E]的原子,在頻率為v的光場(chǎng)作用(照射)下,吸收一個(gè)能量為hV2i的光了后躍遷到高能級(jí)E2的過(guò)程稱為受激吸收躍遷,受激吸收恰好是受激輻射的反過(guò)程。受激吸收躍遷概率W12二如12)dtS上士器與上個(gè)概念類似,W12=B]2Pv,B12稱為A2i_8Trhv3愛(ài)因斯坦系數(shù)。三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系為f!B12=f2B21,(fi為百能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重);激光產(chǎn)生的兩個(gè)基本(
4、必要)件:粒了數(shù)反轉(zhuǎn),光學(xué)諧振腔(減少模式數(shù)量)。原因:只要使發(fā)光物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài),受激輻射就會(huì)大于受激吸收,當(dāng)頻率為v的光束通過(guò)發(fā)光物質(zhì),光強(qiáng)就會(huì)得到放大,這便是激光放大器的基本原理。即便沒(méi)有入射光,只要發(fā)光物質(zhì)中有一個(gè)頻率合適的光子存在,便可像連鎖反應(yīng)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(duì)優(yōu)勢(shì),還需要利用光學(xué)諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)光的自激震蕩,即激光震蕩。激光產(chǎn)生的兩個(gè)充分條件:閾值條件,增益飽和。原因:因?yàn)橹C振腔內(nèi)存在著損耗,只有當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來(lái)回一次所得到的增益大于同一過(guò)程中的損耗時(shí)
5、,才能維持光震蕩,這個(gè)條件是激光器實(shí)現(xiàn)自激震蕩所需要的最低條件,又稱閾值條件。三能級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn):受激輻射在Ei和E?兩個(gè)能級(jí)之間產(chǎn)生,其中%作為基態(tài),作為激光下能級(jí),泵浦源將激活粒子從E]能級(jí)抽運(yùn)到兔能級(jí),E3能級(jí)的壽命很短,激活粒子很快地經(jīng)非輻射躍遷到達(dá)E2能級(jí)。E2能級(jí)的壽命比電長(zhǎng)得多,為亞穩(wěn)態(tài)作為激光上能級(jí)。四能級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn):與三能級(jí)系統(tǒng)類似,其中比為激光上能級(jí),E2為激光下能級(jí),泵浦源將激光激活粒子從基態(tài)E]抽運(yùn)到E4能級(jí),E4能級(jí)的壽命很短,立即通A2i_8Trhv3愛(ài)因斯坦系數(shù)。三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系為f!B12=f2B21,(fi為百能
6、級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重);激光產(chǎn)生的兩個(gè)基本(必要)件:粒了數(shù)反轉(zhuǎn),光學(xué)諧振腔(減少模式數(shù)量)。原因:只要使發(fā)光物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài),受激輻射就會(huì)大于受激吸收,當(dāng)頻率為v的光束通過(guò)發(fā)光物質(zhì),光強(qiáng)就會(huì)得到放大,這便是激光放大器的基本原理。即便沒(méi)有入射光,只要發(fā)光物質(zhì)中有一個(gè)頻率合適的光子存在,便可像連鎖反應(yīng)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(duì)優(yōu)勢(shì),還需要利用光學(xué)諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)光的自激震蕩,即激光震蕩。激光產(chǎn)生的兩個(gè)充分條件:閾值條件,增益飽和。原因:因?yàn)橹C振腔內(nèi)存在著損耗,只有當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來(lái)回一
7、次所得到的增益大于同一過(guò)程中的損耗時(shí),才能維持光震蕩,這個(gè)條件是激光器實(shí)現(xiàn)自激震蕩所需要的最低條件,又稱閾值條件。三能級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn):受激輻射在Ei和E?兩個(gè)能級(jí)之間產(chǎn)生,其中%作為基態(tài),作為激光下能級(jí),泵浦源將激活粒子從E]能級(jí)抽運(yùn)到兔能級(jí),E3能級(jí)的壽命很短,激活粒子很快地經(jīng)非輻射躍遷到達(dá)E2能級(jí)。E2能級(jí)的壽命比電長(zhǎng)得多,為亞穩(wěn)態(tài)作為激光上能級(jí)。四能級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn):與三能級(jí)系統(tǒng)類似,其中比為激光上能級(jí),E2為激光下能級(jí),泵浦源將激光激活粒子從基態(tài)E]抽運(yùn)到E4能級(jí),E4能級(jí)的壽命很短,立即通過(guò)非輻射躍遷方式到達(dá)Es能級(jí)。Es能級(jí)壽命較長(zhǎng),是亞穩(wěn)態(tài)。