激光原理與技術(shù)

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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)。