激光原理_第一章

1、激光原理及技術(shù)陳俊 學(xué)Email:cjxuelaser 西南科技大學(xué)理學(xué)院一一第一部分何為激光(laser) ?Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation受激輻射光放大鐳射：LASER的音譯高方向性與普通光源相比激光束的特點(diǎn)高亮度-* x 77J?設(shè):u =uoeiau =uQe = e = -(u+u ); E 二件 亥姆霍茲方程：將特解的復(fù)數(shù)形式代入得V2u0 +?72k2u0 =0 式中，17C k二 2測不準(zhǔn)原理：單縫衍射公式：a sin() = KA (K = 123,)9第一級極小位置：a sin) = 2衍射角與

2、狹縫間距成反比光光子動量觀點(diǎn):XPQ-i縫Q.y狹縫對光子進(jìn)行測量入射光子P=Py,Px=O射向中央亮紋的光子獲得x方 向的動量0P P sin)光子在狹縫中的位置坐標(biāo)x之間的最大差值Zxi Ay APx hAx ZP aP sin) = PA,_ hP = Plk = 德布羅意公式測不準(zhǔn)關(guān)系式的重要意義：縮小狹縫的寬度a,使得穿 過狹縫光子的位置測不準(zhǔn)量縮小，則必定使得這些 光子的動量分量測不準(zhǔn)量APX增大1能量與時(shí)間的測不準(zhǔn)關(guān)系:一02 mvp2E =22m/E -PAP=vAPmAEAx AP = Ax ? AE hV 1-2光波的模式和光子的量子態(tài)、光子的基本性質(zhì)1=【=1、能星:y，

3、Pz)來完全確定，一種運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)相空間 (xgPpPyQ中的一個(gè)點(diǎn)；/微觀上的粒子運(yùn)動滿足測不準(zhǔn)原理:h, yAPy h,生& h在相空間中，一個(gè)光子態(tài)不再對應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)體積元，稱為相格,其在相空間中的體積為:實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小 尺度“ 4 光子態(tài)與光波模的等價(jià)性h3/V動量空間內(nèi)，在g S + As由測不 準(zhǔn)關(guān)系區(qū)分的最大光子數(shù)為小4兀8%(/zv7c)j /zAvg =2xAPAPAPX y Z8v2Avc3波動觀點(diǎn)得到光的模式數(shù)二光子的觀點(diǎn)得到光子的量子 狀態(tài)數(shù)回顧：在波矢空間中一個(gè)光波模式占據(jù)的體積是：業(yè)企甌= (1)AxAyAz VC 由于腔內(nèi)穩(wěn)定存在的光波模都是由兩列相向傳

4、播的 1 行波構(gòu)成的，因此每個(gè)模式的動量可以寫成：1 /PX 2方Mx, APy 2方My, APZ = 2hAkz9 將以上結(jié)果代入(1)式，可得到：g 乂 = 22 = X 巴A/W =上_ AxAyAzAxAyAzAP AP)APw q It即一個(gè)光波模在相空間中也占有一個(gè)相格體積， 一個(gè)光子態(tài)在相空間內(nèi)也占有一個(gè)相格h?一 13光的相干性與相干體積一種光的模式對應(yīng)于一種光子的量子狀態(tài)一1模式即代表可以相互區(qū)分的光子的量子狀態(tài)一、光的相干性在不同時(shí)刻，光波場的 某些特性的相關(guān)性，叫 做“光的相干性”。例如, 光波場位相的相關(guān)性二、光的相干體積P1、定義:相干體積二相干面積*相干長度V 二

5、 A xLcc c2、計(jì)算：(1)光源面相干的條件對于SJ 點(diǎn)：A/ =對干SO點(diǎn):A/o = S0BP S0AP相干條件：|a/-a/04M-MQ=d2-d=-2R 20 =兩縫間距對光源的張角結(jié)論：設(shè)光源面積為o，則tAx2o這樣就得a)22 )2AO（2）相干長度Lc = crc （%為相干時(shí)間=】/）（3）相干體積：c3v2Av(A6)2其物理意義為：如要求傳播方向限于A&之內(nèi)并具 有頻率寬度Av的光波相干，則光源應(yīng)局限在空間 體積Vc內(nèi)0二、光子的相干性一一9根據(jù)前述的光子態(tài)在相空間的體積為AxAyAzAPvAPvAPc h3 可得h3c3V APxAPyAPz v2Av(A6)2=

6、 VCs上式表明相格的空間體積等于相干體積，如果光子屬于 同一光子態(tài)，則它們應(yīng)該包含在相干體積之內(nèi)，即13二 光子態(tài)的光子基相干的。小結(jié)A光子態(tài)與光波模式是電磁場運(yùn)動狀態(tài)描述的兩種等 效提法，是兩種等效的物理概念；A相格的空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積;相格空間體積 = 一個(gè)光波模式所占空間體積= 同一光子態(tài)所占空間體積 =相干體積A屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的, 而不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。0廠處于同一相格中的光子數(shù)， 處于同一模式中的光子數(shù), 光子簡并度處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)，處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。一、光源簡并度與光源亮度的關(guān)系

7、1、光源簡并度：設(shè)光源面AS在內(nèi)冋外射出 個(gè)頻率為1/的光子，則該光源的簡并度/為意義：A0內(nèi)單位模式的光子數(shù)ASPAZ、n =hvAQgg =s-1 4龍 PzVo = x xg AQ hv4龍 PHxx8v2AvV AQ hvc34龍JV = A5cAz, 2 =vA=P222、光源亮度：光源面A5在AO方向的亮度定義為 （單色定向亮度）B =-v AvA5AQ意義：單位面積、單位時(shí)間、 單位立體角內(nèi)發(fā)出單位頻率 的光能。3、簡并度與亮度的關(guān)系：將E Bv的表達(dá)式相結(jié)合，得3 = -2 hv結(jié)論：光源簡并度對應(yīng)于線度為1的光源在單位時(shí) 間、單位立體角內(nèi)發(fā)出單位頻率的光子數(shù)。光源簡并 度越高

8、，光源亮度越大。例如一單模激光器，若P = lmw,Av = lHz，光子能S/zv = 3xlO_19J,久=60002可求出 SulOStokes定理：對于矢量A沿閉合曲線C的線積分等于矢量 一 A的旋度與曲線C所圍面積法線點(diǎn)積的積分J 人 =J（ x A） ds線面散度定理：對于矢量A，它的法向分量沿閉合曲面S的面積分等于在曲面S所圍體積V中矢量A散度的體積分面= 體ff A ds = V - Ads J J SJ J J uGauss law： The electric flux through any closed surface is equal to the total char

9、ge enclosed by the surface dividedP is the charge densityE ds = 一 = 一 f pdVo o Jv0 0一一The magnetic equivalent of Gauss1 law: The magnetic flux through any closed surface is equal to zeroFaradayfs law: The line integral of the electric field around any closed loop is equal to minus the time rate of c

10、hange of the magnetic flux through the loopAmpere circuital law: The line integral of the magnetic field around any closed loop is equal to otimes the algebraic sum of the actual currents and which pass through the loop plus /otimes the displacement current passing through the loopE心舁WEdl =c”高斯定理2葺1

11、Bd = (xB)ds = /(J j(is +卩上 D-ds安培環(huán)路定理VxH = j + dt 1-5黑體輻射1什么叫做“黑體” ？一個(gè)物體能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，則稱此 物體為絕對黑體或黑體。自然界中不存在絕對黑體， 而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。af2af2黑體輻射:當(dāng)黑體處于某一恒定溫度 的熱平衡狀態(tài)，它吸收的電磁輻射和 發(fā)射的電磁輻射完全相等，即處于能 量平衡狀態(tài)，這將導(dǎo)致空腔內(nèi)存在 完全確定的輻射場。這種輻射場稱 為黑體輻射或平衡輻射。2.普朗克公式:hi黑體輻射是黑體溫度T和輻射場頻率的函數(shù)，并可以 用單色能量密度皿描述，它表示單位體積內(nèi)，頻率處 于）/附近的

12、單位頻率間隔中的電磁輻射能量，其量綱 為 J -s/rrr3為了解釋實(shí)驗(yàn)測得的幾（匕門分布規(guī)律，普朗克提出 了量子化假設(shè)，并得到了普朗克公式：在溫度T的熱 平衡狀態(tài)下，光子服從波色愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布。忒 體輻射平均地分配到腔內(nèi)處于頻率附近的同一種模E= hv/KT i加=屁/I 11 回顧：腔內(nèi)單位體積中，頻率處于U附近單位頻率間 隔內(nèi)的電磁場模式數(shù)：可以得到黑體輻射的普朗克公式:廠8tt/zv3PV = Eg二一L1ehv,KT-其中K為波爾茲曼常數(shù):=1.38062 xlO-23 J/T 1-6光的自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收1、自 發(fā)輻射 (Spontaneous emission )處于

13、高能級E2的原子自發(fā)的向 較低能級E1躍遷，并發(fā)射一個(gè) 能量為hv = E2-E的光子，這 種過程稱為自發(fā)輻射.自發(fā)輻射特點(diǎn)：自發(fā)輻射光的相位、偏振態(tài)以及傳播方向 是雜亂無章的，是非相干光。假設(shè)系統(tǒng)中高能級原子數(shù)為n2,低能級原子數(shù)為nl,則 單位時(shí)間內(nèi)從高能級向低能級發(fā)生躍遷的原子數(shù)dii2i為:dri2i = A2ri2dt其中A?】為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)，定義為單位時(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能級原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與112的比值，其物理意義是每一個(gè)處于高能級的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。從上式可以解出：血=n20e -切自發(fā)輻射的平均壽命G定義為原子數(shù)密度由起始值降 至它的1/e的時(shí)間，則高能級原

14、子數(shù)隨時(shí)間變化可表示為:n2(t) = n20e1 / r通過比較可以得到：|島二1|,即自發(fā)輻射系數(shù)為高能 級原子平均壽命的倒數(shù)，是由原子本身的性質(zhì)決定的，不 受外部輻射場的影響。E9E n厶二2、受激吸收(Stimulated Absorption )M/? Zzi/ =E、 n 匕如果黑體原子和外加電磁場之間的 相互作用只有自發(fā)輻射這一種，是 無法維持腔內(nèi)的穩(wěn)定電磁場的，因 此愛因斯坦預(yù)言，黑體原子必然存 在著一種受外加電磁場激發(fā)而從低 能級向高能級躍遷的過程。dnndt受激躍遷與自發(fā)躍遷不同，其躍遷幾率不僅與原子性質(zhì)有關(guān), 而且與外加電磁場處于低能級E1的一個(gè)原子，在頻率為v的輻射場作

15、用（激勵(lì)） 下，受激地向E2能級躍遷并吸收一個(gè)能量為尿的光子，這一 過程稱為受激吸收，用受激吸收躍遷幾率皿2描述1W12 = B2pv成正比，因此唯象的將其表示為： 其中B12稱為受激吸收躍遷愛因斯坦 系數(shù)，它只與原子性質(zhì)相關(guān)。3、受激輻射(Stimulated Emission )與受激吸收躍遷類似，黑體原子同外加電磁場之間還存在另e2e2一種受激相互作用，一個(gè)處于 高能級E2的原子在頻率為1/的三|三1電磁場作用下，受激地躍遷到 E1能奴，弄放出一個(gè)能量為hv 的光子，該過程被稱為受激輻 射躍遷。nx hv可以用受激輻射躍遷幾率W21來描述受激輻射過程中高能級原子數(shù)變化的規(guī)律：心=受激輻射

16、躍遷機(jī)率同樣與外加電磁場和原子特性相關(guān):W21 = B2Pv三、原子吸收和輻射幾率的關(guān)系當(dāng)黑體處于確定的溫度T的熱平衡狀態(tài)時(shí)，具有以下三個(gè) 特點(diǎn)：腔內(nèi)存在著由普朗克公式描述的熱平衡黑體輻射；腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按照能級的分布服從熱平衡狀態(tài)下的 波爾茲曼分布：I 30SHJH幺2_勺竺=邑幺KT血 ggl g2為能級El、E2的簡并度，即統(tǒng)計(jì)權(quán)重;腔內(nèi)處于E2 （或E1）能級的原子數(shù)應(yīng)保持不變:一由特點(diǎn)3得到:一由特點(diǎn)3得到:一9A2n2 + B2Xpvn2 = BnPvnx艮1 B12l JA2I B2n2將普朗克公式和波爾茲曼分布帶入上式有:一由特點(diǎn)3得到:21g2丿AvD眄1)=也 丿A21_

17、8/zv31Pv= c3 ehv,KT-n o e2e、1 gl斗化1)上8加，)A2ic38乃加3一由特點(diǎn)3得到:一由特點(diǎn)3得到:令Ts ,可以求出 愛因斯坦系數(shù)之間的相互關(guān)紊：特別的，當(dāng)削弋2時(shí)，B12=B2112gl = 21g2B21 c3A2i 8/zv3一由上式可得:8/zv3B21一由上式可得:一由上式可得:10結(jié)論:(1)自發(fā)輻射隨頻率增加而增加，波長越短，自發(fā)*輻射的幾率越大。(2) g!B12=g2B21表明，受激吸收系數(shù)和受激輻射系數(shù)在考慮了能級簡并度后是相等的，過程可逆。一四、光與物質(zhì)作用的幾種處理方法一四、光與物質(zhì)作用的幾種處理方法自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、

18、偏振方向等特一性上是無規(guī)則的，即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有 的電磁場模式上。受激輻射則是受到外加電磁場激發(fā)而產(chǎn)生的過程，由量 子電動力學(xué)可以嚴(yán)格證明受激輻射光子與入射光子屬于同 一光子態(tài)，即具有相同的頻率、相位、波矢和偏振等特性。按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡諧振動的電偶極子， 自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個(gè)原子的 自發(fā)躍遷互相之間沒有關(guān)聯(lián)；而受激輻射可以看作電子在外加光場作用下做受迫振動，其振蕩頻率、相位、方向等 與外加光場一致。大量原子在同一輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射光子處于 同一光子態(tài)，因而是相干的。1、經(jīng)典理論:經(jīng)典電磁波+經(jīng)典電偶極子模型(1) 優(yōu)點(diǎn)：處理光學(xué)諧振

19、腔和激光傳輸比較簡單明白;(2) 缺點(diǎn)：只能定性說明光與物質(zhì)作用的激光現(xiàn)象。2、半經(jīng)典理論:經(jīng)典電磁波+量子力學(xué)薛定譚方程(1) 優(yōu)點(diǎn)：能精確闡述與激光有關(guān)的大部分問題缺點(diǎn)：不能反映與光波場的量子特性有關(guān)現(xiàn) 象和規(guī)律。一 1-7激光的產(chǎn)生3、速率方程理論(全量子理論的簡化形式):光子+量子化能級的粒子系統(tǒng)(1) 優(yōu)點(diǎn)：能描述激光的光強(qiáng)特性；(2) 缺點(diǎn)：對增益介質(zhì)色散等頻率特性和量子起伏 有關(guān)的激光特性不能作理論解釋。4、量子電動力學(xué)方法:統(tǒng)一光子與量子的方法(1) 優(yōu)點(diǎn)：原則上可描述激光的全部特性，如嚴(yán) 格確定激光相干、噪聲、線寬等特性；(2) 缺點(diǎn)：數(shù)學(xué)上十分復(fù)雜，不易求解。本課程主要用到

20、的理論是經(jīng)典理論和速率方程oRuby ctystalSwitchLaser beam95%-reflective minorPolished aluminum reflective cylinderPower supply100%-reflectiveminor Quartz flash tubeTrtai ReflectorPinnping MtthailismPartial refkctorLaser CmityC有放大作用的增益介質(zhì)（激活粒子）激光的產(chǎn) 生條件J有外部或內(nèi)部激勵(lì)源（使激活粒子集 居數(shù)反轉(zhuǎn)）有激光諧振腔（使受激輻射維持振蕩）一如何使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)?由于在原子與外加光

21、場相互作用時(shí)同時(shí)存在受激輻射和受激吸一收兩種作用，想要實(shí)現(xiàn)光放大，必須要滿足關(guān)系: Bnpvn一如何使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)?一如何使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)?由愛因斯坦系數(shù)相互關(guān)系及波爾茲曼分布得到光放大的條件:B2lg2 = B2glhv1 =e ktgi要滿足該條件，只有TvO,這意味著物質(zhì)處于溫度低于絕對零度的狀態(tài),而這是不可能的?！安豢赡堋钡那疤崾窃訑?shù)按照能級的分布服從波爾茲曼分布（熱平衡狀態(tài)），那么要實(shí)現(xiàn)光放大，必須使原子數(shù)按能級的分 布打破波爾茲曼分布，使得高能級原子數(shù)大于低能級原子數(shù)，使 物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。一9通過各種泵浦機(jī)制，利用各種外部能量，使系統(tǒng)處于 非熱平衡狀態(tài)，

22、使大量處于低能級的物質(zhì)粒子躍遷到 高能級，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為光放大做好準(zhǔn)備。用增益系數(shù)來描述光放大物質(zhì)對光的放大能力，增益系 數(shù)定義為光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度后光強(qiáng)的相對增長 率： 止C二1刃/dz光沿z軸方向傳播時(shí)，在 單位距離內(nèi)所增加光強(qiáng)的 百分比。求解上面的微分方程，可以得到位置z處的光強(qiáng): /(Z)二 W其中Go為增益系數(shù)的初值，當(dāng)粒子數(shù)差值(n2nl)不隨距 離變化，而且I。很小的情況下，G不隨光的傳輸而發(fā)生 變化，這種情況稱為小信號增益。當(dāng)I隨著傳輸而逐漸增加時(shí)，高能級粒子被不斷消耗，因 此G也隨之減少，G(z)隨著z增加而減少的現(xiàn)象稱為增益飽 和。二、激光的振蕩和產(chǎn)生振蕩的閾值條

23、件1光的自激振蕩OOOOOOOOOOOO2SOOOOOOOOOOOO 三二三三 OOOOOOOOOOOO損耗大丁增益“i000000000000 二三迂三 OOOOOOOOOOOO增益大丁損耗在光放大物質(zhì)中，除了存在受激 躍遷現(xiàn)象外，還有各種因素引起 的光傳輸損耗，我們用損耗系數(shù) 來描述這些損耗，它定義為光通 過單位距離后光強(qiáng)衰減的百分比：dl1Of dz /III在同時(shí)存在增益和損耗的光放大介質(zhì)中, 光強(qiáng)隨傳輸距離的變化可以表示為：刃=G(I)-aI(z)dz入射光能夠被無限放大嗎?假設(shè)一個(gè)微弱光I。入射到一段增益介質(zhì)中，其初始增 益系數(shù)為Go, G0a,此時(shí)光強(qiáng)隨著傳輸距離增加而不 斷增強(qiáng)

24、：/(z) =0I!Im與初始光強(qiáng)I。無關(guān)隨著光強(qiáng)的不斷增加，增益介質(zhì)中的 高能級粒子不斷的由于受激輻射而躍 遷到低能級，增益介質(zhì)的增益系數(shù)不 斷減小，直到減小到G(z) = *時(shí)， 光強(qiáng)將不再隨傳輸距離的變化而變化, 此時(shí)的光強(qiáng)稱為飽和光強(qiáng)Im。一一從上面的討論可以知道，只要增益介質(zhì)足夠長，無論多微 弱的入射光，都可以被放大為飽和光強(qiáng)Im。至此我們具備了產(chǎn)生激光的一個(gè)必要條件：能夠?qū)μ囟l率的微弱入射光進(jìn)行受激放大，新的問題是：入射光從何而來?解決之道自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會產(chǎn)生微弱的、頻率 為v = (E2-E)/h的熒兎 可以作為受激輻射的入射光。要產(chǎn)生我們需要的高強(qiáng)度、方向性好的激光，還有

25、兩個(gè)問題 要解決：III要獲得最大的放大效果，需要近似無窮長度的增益介質(zhì)，然 而這在工程上不可實(shí)現(xiàn)的，如何盡可能的增加增益物質(zhì)的長度?自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子的前進(jìn)方向是隨機(jī)的，如果直接對其進(jìn)行受激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機(jī)的，如何選擇 特定方向的光來進(jìn)行放大得到方向性很好的激光?在激光的實(shí)際應(yīng)用中，利用各種不同結(jié) 構(gòu)的光學(xué)諧振腔來解決上述兩個(gè)問題。結(jié)構(gòu)最簡單的光學(xué)諧振腔是在工作物質(zhì) 兩端放置兩塊平行的平面鏡而構(gòu)成的平 行平面腔，通過讓需要放大的光在兩塊 平面鏡之間反射，實(shí)現(xiàn)了近似于無限長 的增益介質(zhì)；通過限制平面鏡的尺度，使得自發(fā)輻射產(chǎn) 生的微弱光在諧振腔內(nèi)反射的過程中，只有靠近平面鏡中

26、心而且方向垂直于平面鏡MiM2的那部分光才能在其中多次反射，得到足 夠多次的放大而形成激光，其它方向的光 則迅速溢出諧振腔外，無法形成正反饋過 程。通過這種方式實(shí)現(xiàn)了對激光方向性的2、激光的閾值條件長度上平均損耗系數(shù)*內(nèi)。（G勺|）I(1)定義：激光振蕩所需的最低條件，叫“閾值條件”(2)損耗：反射鏡的損耗；除去反射鏡以外的每單位Lr r 2（G-a內(nèi)）乙2 廠1廠2*閾值條件：厶、厶972嚴(yán)咖 L 1ln甘2嚴(yán)y內(nèi)）L0總平均損耗系數(shù)：內(nèi)-丄In甘22L閾值條件：Ga結(jié)論：激光器內(nèi)單位長度的增益必須超過單位長度的 損耗才能形成“自激振蕩” 1-8激光器和激光的特性一、激光器1、構(gòu)成:工作物質(zhì)

27、+諧振腔+激勵(lì)源2、分類:固體激光器:紅寶石、Nd:YAG氣體激光器:原子、分子、離子液體激光器:染料激光器新型激光器：光纖激光器、半導(dǎo)體激 光器、自由電子激光器、化學(xué)激光器固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)工作物質(zhì)全反射鏡1 固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、 泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng) 構(gòu)成的。右圖是長脈沖固體激光器的 基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。聚光鏡脈沖制燈儲能電容H髙壓充電電源部分反射鏡激光觸發(fā)電路2紅寶石激光器(三能級系統(tǒng))紅寶石是在三氧化二鋁(Al2o3)中摻入少量的氧化銘(O2O3)生長 成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉆離子(Cr3+),它屬 于三能級系統(tǒng)。集

28、居數(shù)反轉(zhuǎn)過程二 基態(tài)-上不穩(wěn)態(tài)能級 -下亞穩(wěn)態(tài)能級E(cm_1)n2受激光輻射3摻敎鎧鋁石榴石(Nds+x YAG)(四能級系統(tǒng))工作物質(zhì):將一定比例的AI2O3、Y2O3,和N心2。3在單晶爐中 進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是牧離子 (Nd3+),它屬于四能級系統(tǒng)。PumpingEmct 0-Excited energy level(pontaneeas energy emission)IVIrtastMiMcmdKy levrlGround energy levelulatd emission (LASER)Fi& 3b:Energy &衣、of Four - level A

29、ctive Medium與三能級系統(tǒng)相比，四能級系統(tǒng)具有低的泵浦閾值光強(qiáng)固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都釆用光泵浦激勵(lì)。目前 的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì) 一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全 聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。光泵泵浦腔激光棒右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常釆用的聚光 腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。=1固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光O 常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻 和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾

30、光器件濾去 泵浦光中的紫外光譜。氣體激光器的分類III原子產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，所釆用的氣 體主要是氨、氛、氮、氟、氤等惰性氣體，有時(shí)也釆用氯、 漠、碘、氮、硫、碳、氧等原子氣體，或艷、鎘、銅、猛、 錫等金屬原子蒸氣。分子(準(zhǔn)分子)產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，所 采用的分子氣體有：CO、N2、02、CO2、N2O和水蒸氣等;準(zhǔn)分子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當(dāng)受到激發(fā)時(shí)，可 暫時(shí)形成壽命很短的分子，稱為準(zhǔn)分子，這種分子也能產(chǎn)生激 光。常釆用的準(zhǔn)分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、 XeCI*、XeB嚴(yán)、XeO*、KrO*等。離子利用電離后的氣體離

31、子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣 體離子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氮離子 (Ar+)和氨鎘(HeCd)離子激光器。氣體激光器的工作原理電激勵(lì)氣體放電在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導(dǎo)電（叫做氣體放電）,被電場加速的電子與氣體原子（或分子、離子）碰撞，使后者激發(fā)到高能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一過程稱為放 電激勵(lì)。除放電激勵(lì)外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵(lì) 氣體，使之躍遷到高能級，這稱為電子束激勵(lì)。氮-氛（He-Ne）激光器（放電泵浦）He:Ne = 5:l /+佻二（17b = 133九）在放電條件下陰極發(fā)射的 電子主要與氨原子作非彈 性碰撞使其躍遷到亞穩(wěn)態(tài) C能級上，再與氛原子碰撞 產(chǎn)生能量的共振轉(zhuǎn)移，從 9而激發(fā)氛原子到不穩(wěn)態(tài)產(chǎn) 生激光。反射鏡鍍了多層介質(zhì)薄 膜，起到的選模作用。激光經(jīng)布儒斯特窗口多 次反射而產(chǎn)生偏振光He E(1Q cm)19182丹J1 5xl06Ne+(2/5)3.39/7/771716