光電子技術(shù)激光原理二、光得相干性得分類(1)時(shí)間相干性:波場(chǎng)中同一點(diǎn)不同時(shí)刻光波場(chǎng)特性得相關(guān)性。此相干性來(lái)源于原子發(fā)光得間斷性。描述時(shí)間相干性得等效物理量:①相干時(shí)間:②相干長(zhǎng)度:③譜線寬度:(2)空間相干性:波場(chǎng)中不同點(diǎn)在同一時(shí)刻光波場(chǎng)特性得相關(guān)性。此相干性來(lái)源于光源中不同原子發(fā)光得獨(dú)立性。光得自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新愛因斯坦在光量子理論得基礎(chǔ)上,考慮了光與物質(zhì)相互作用得模型(原子得兩個(gè)能級(jí)),引入了兩個(gè)重要概念,同樣得出了普朗克公式光得自發(fā)輻射在沒有外界作用得情況下,原子從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1得躍遷方式有兩種:無(wú)輻射躍遷與自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射光輻射出得光子能量:光得自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新光得受激吸收受激吸收躍遷示意圖入射光當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來(lái)得能量為得光子作用下,如果,則處于低能級(jí)上得原子由于吸收一個(gè)能量為得光子而受到激發(fā),躍遷到高能級(jí)上去得過程。光得自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新受激輻射躍遷示意圖入射光受激輻射光光得受激輻射光得受激輻射:當(dāng)原子受外來(lái)得能量為得光子激勵(lì)下,從高能級(jí)躍遷到低能級(jí),原子發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子同頻率光子得過程。入射光光得受激輻射與自發(fā)輻射得區(qū)別受激輻射光就是相干光,自發(fā)輻射光就是非相干光。量子電動(dòng)力學(xué)得解釋①受激輻射就是在外界輻射得控制下產(chǎn)生得,受激輻射光子與激勵(lì)得入射光子就是同一光子態(tài)得,具有相同得頻率、相位、波矢、偏振態(tài)。大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生同一光子態(tài)或同一光波模式得光子,因而就是相干得。②自發(fā)輻射不受外界輻射場(chǎng)得影響,就是自發(fā)得,大量原子得自發(fā)輻射光子具有各自不同得頻率、相位、波矢、偏振態(tài),呈無(wú)規(guī)則、隨幾得分布。自發(fā)輻射光平均地分配到腔內(nèi)所有得模式上,而不屬于同一光子態(tài)或同一光波模式,因而就是非相干得。光得受激輻射與自發(fā)輻射得區(qū)別福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新原子受激輻射得光與外來(lái)得引起受激輻射得光有相同得頻率、位相、偏振及傳播方向。光得受激輻射得特點(diǎn)福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新通過受激輻射,可以實(shí)現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大從而得到光子簡(jiǎn)并度極高得相干光。激光器發(fā)光,正就是利用受激輻射得上述特點(diǎn)。光得受激輻射放大稱為激光有一束能量為得入射光子通過激活物質(zhì),光得受激輻射過程超過受激吸收過程,受激輻射占主導(dǎo)地位,光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng),使該激光工作物質(zhì)輸出得光能量超過入射光得能量,這就就是光得放大過程。福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光得產(chǎn)生當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收這三個(gè)過程就是同時(shí)出現(xiàn)得,如何實(shí)現(xiàn)大量原子得受激輻射產(chǎn)生激光?福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布)在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài),各能級(jí)上得原子數(shù)服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新ni=C*exp(-Ei/kT)

處于熱平衡狀態(tài)下個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)分布示意圖激光產(chǎn)生必須具備得前提條件大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜集居數(shù)反轉(zhuǎn)就是實(shí)現(xiàn)激光得必要條件福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新由玻耳茲曼方程得到:正常粒子狀態(tài)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)比示意圖正常粒子狀態(tài)下光得吸收總就是大于光得受激輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)g為對(duì)應(yīng)能級(jí)簡(jiǎn)并度選取能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)得工作物質(zhì)福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新在一般情況下,大量原子處于基態(tài),而處于激發(fā)態(tài)得時(shí)間很短,約為,不穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定,但比激發(fā)態(tài)要穩(wěn)定得多,如:具有亞穩(wěn)態(tài)得工作物質(zhì),就能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新實(shí)現(xiàn)光放大得必要條件——進(jìn)行泵浦使工作物質(zhì)處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)1、集居數(shù):各能級(jí)上得原子數(shù)。2、要產(chǎn)生受激輻射得光放大,必須使相同時(shí)間內(nèi)得受激輻射光子數(shù)大于受激吸收得光子數(shù)。即:3、熱平衡狀態(tài)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)受激輻射得光放大4、集居數(shù)反轉(zhuǎn)得實(shí)現(xiàn)向物質(zhì)提供能量,即進(jìn)行泵浦(或激勵(lì)),打破熱平衡！泵浦(或抽運(yùn))得方法光泵浦放電泵浦化學(xué)反應(yīng)泵浦重粒子泵浦離子輻射泵浦福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新光得自激振蕩說明:光放大與光得自激振蕩既不同,又有聯(lián)系。一、自激振蕩得概念激活介質(zhì)中增益與損耗兩種過程得共同作用與激光振蕩得建立、激光功率以及激光脈寬等得變化規(guī)律等方面密切相關(guān)。福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新1、損耗系數(shù):光通過單位距離后光強(qiáng)衰減得百分比。2、同時(shí)考慮增益與損耗以后3、自激振蕩過程得建立弱光強(qiáng)I0進(jìn)入一無(wú)限長(zhǎng)光放大器,開始時(shí)I(z)按小信號(hào)放大規(guī)律按增長(zhǎng)。然后,由于增益飽與效應(yīng),I(z)得增長(zhǎng)速率會(huì)變慢,最后,當(dāng)時(shí),I(z)不再增長(zhǎng)并達(dá)到一穩(wěn)態(tài)值Im。由得:福建師范大學(xué)物光學(xué)院陳建新說明:可見,Im只與放大器本身得參數(shù)有關(guān)而與初始光強(qiáng)I0無(wú)關(guān)。特別就是,不管初始I0多么弱,只要放大器足夠長(zhǎng),就總能形成確定大小得光強(qiáng)Im。這即就是自激振蕩得概念。這就表明,當(dāng)激光放大器得長(zhǎng)度足夠大時(shí),它可能成為一個(gè)自激振蕩器。實(shí)際情況下,使激光放大器足夠長(zhǎng)就是不現(xiàn)實(shí)得！光諧振腔⑴定義:只要在有一定長(zhǎng)度得光放大器兩端放置兩個(gè)反射鏡形成光諧振腔。這樣,軸向光波模就能在反射鏡間往返傳播。就等效于增加放大器長(zhǎng)度。光諧振腔得這種作用也稱為光得反饋。光得自激振蕩與激光諧振腔光得自激振蕩:光在增益介質(zhì)內(nèi)傳播放大,總存在各種各樣得光損耗,當(dāng)增益與損耗達(dá)到平衡時(shí)光強(qiáng)不再增加并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定得極限值。只要激光放大器得長(zhǎng)度足夠大,就可能成為一個(gè)自激振蕩器,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)得激光振蕩。實(shí)際得激光振蕩器就是將具有一定長(zhǎng)度得光學(xué)放大器放置在由兩塊鍍有高反射率得反射鏡所構(gòu)成得光學(xué)諧振腔內(nèi)。福建師范大學(xué)物光學(xué)院