光電子學(xué)第2章(1)

1、2.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大2.2 光學(xué)諧振腔2.3 激光器基本結(jié)構(gòu)與激光形成過程 2.4 激光的特性 2.5 激光器速率方程 2.6 介質(zhì)的增益系數(shù) 第二章 光放大與振蕩激光器原理2.7 激光振蕩閾值條件 2.8 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出功率 2.9 脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出功率 2.10 自由振蕩激光器的模式 2.11 激光器的頻率牽引2.12激光器的線寬極限2.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大 A21、B21、B12的相互關(guān)系 受激輻射的相干性 激光產(chǎn)生的必要條件受激輻射一、愛因斯坦關(guān)系hnchBA3321218221112gBgB21212121WvBhBnAv說明： 分配在一個(gè)模式上的受激輻射的幾率等于

2、在此模式中的一個(gè)光子引起的受激躍遷幾率。21122112WWBBg1=g2例：在熱平衡條件下（如黑體），試比較自發(fā)輻射和受激輻射？3921321P14.5610P81stehkTspBcAhe hBnPhAnPstesp212212T=1500K,l=500nm 空腔例：在熱平衡條件下，試比較受激吸收和受激輻射？112112221221nBnWnBnW1122 nggn 受激輻射使光子數(shù)增加，相反的，受激吸收吸收光子，降低光子數(shù)密度 STE: STA:( 熱平衡條件下)STESTA結(jié)果說明：光通過介質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)將被吸收和消弱。思考題：對(duì)于激光的產(chǎn)生，受激輻射場(chǎng)的源頭是哪里？二、受激輻射的相干性

3、自發(fā)輻射：是原子在不受外界輻射場(chǎng)控制情況下的自發(fā)過程。因此，大量原子的自發(fā)輻射場(chǎng)的相位是無規(guī)則分布的，因而是不相干的。 受激輻射：是在外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光過程，因而容易設(shè)想各原子的受激輻射的相位不再是無規(guī)則分布，而應(yīng)具有和外界輻射場(chǎng)相同的相位。 可以表述為：受激輻射光子與入射(激勵(lì))光子屬于同一光子態(tài)；或者說，受激輻射場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)屬于同一模式（同一光子態(tài)）。因而是相干的。 光放大概念的產(chǎn)生 實(shí)現(xiàn)放大的條件集居數(shù)反轉(zhuǎn) 光放大物質(zhì)的增益系數(shù)和增益曲線 三、激光產(chǎn)生的必要條件a、光放大概念的產(chǎn)生(激光器基本思想)封閉腔中光子簡(jiǎn)并度極低：開腔能夠突出受激躍遷系數(shù)W21，抑制自發(fā)躍遷系數(shù)A21，從

4、而提高光子簡(jiǎn)并度 。開腔中的激活介質(zhì)能對(duì)光進(jìn)行受激輻射放大n21212121338AWABchvnvv圖 光在介質(zhì)中傳播的物理圖像* *光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律圖 光穿過厚度為dzdz介質(zhì)的情況如圖， 頻率為 的準(zhǔn)單色光射向介質(zhì)，在介質(zhì)中z處取厚度為dz、截面為單位截面的一薄層，在 dt t時(shí)間內(nèi)由于介質(zhì)吸收而減少的光子數(shù)密度為：dtfzBndN)()(1211dt t時(shí)間內(nèi)由于受激輻射增加的光子數(shù)密度為：dtfzBndN)()(2122)()(zIcz 為介質(zhì)中z處傳播著的光能密度，它與光強(qiáng)的關(guān)系為：)(z* *光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律圖 光穿過厚度為

5、dzdz介質(zhì)的情況dzcfzBnggndtfzBnBndNdNdN)()()()()()(21112212121221dtdt為光經(jīng)過為光經(jīng)過dzdz所需要的時(shí)間，存在如下關(guān)系：所需要的時(shí)間，存在如下關(guān)系： ，并且有：并且有：dzcdzdt212121BgBg則光穿過則光穿過dzdz介質(zhì)后凈增加的光子數(shù)密度為：介質(zhì)后凈增加的光子數(shù)密度為：dzhcfBnggnddzhcfzBnggndNhd)()()()()(211122211122則光穿過則光穿過dzdz介質(zhì)后光能密度的增加值為：介質(zhì)后光能密度的增加值為：* *光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律圖 光穿過厚度為dzdz介質(zhì)的情況dz

6、hcfBnggnd)()(211122解此微分方程得：)()exp()0()(211122zchfBnggnz)()exp()0()(211122zchfBnggnIzI上式即為光波穿過介質(zhì)時(shí)光強(qiáng)隨路程z的變化規(guī)律。b、實(shí)現(xiàn)光放大的必要條件集居數(shù)反轉(zhuǎn)n2n1TkEEBenn1221在熱平衡條件下，各能級(jí)上粒子數(shù)（集居數(shù)）服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布： g1=g2介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)上下能級(jí)粒子數(shù)的分布關(guān)系為：介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)上下能級(jí)粒子數(shù)的分布關(guān)系為：1122gngn討論 因?yàn)镋 2E1，所以n2, 所以q一般有104106量級(jí)，即存在大量縱模。 Lcqq2Lcqqq21三、光腔的縱模多縱模振蕩1

7、、腔內(nèi)存在模式要形成穩(wěn)定的振蕩，還必須滿足自激振蕩條件：?jiǎn)纬绦⌒盘?hào)G0l增益大于單程損耗，即：lG02、如果以T表示增益曲線高于閾值部分的頻帶寬度，則可能同時(shí)振蕩的縱模數(shù)為： 1qTq討論：當(dāng) ，激光器中至少有兩個(gè)以上的縱模振蕩。即多縱模振蕩;物質(zhì)的激發(fā)(泵浦)程度越高 ，則 ，(縱模振蕩增加); 一定，增加的腔長 ， ，則 ，（縱模振蕩增加） 激光光譜 ，由傅立葉變換關(guān)系： （雙曲正割），知 ， ，要獲得窄脈沖，激光光譜必須足夠?qū)挘聪ＭM量多的縱數(shù)振蕩。 1qTTqTLqqqq315. 0tt在某些應(yīng)用，需要單頻和穩(wěn)頻的激光。（精密計(jì)量，光通信、全息照相）三、光腔的縱模單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)工作在閾值附近， ，使減小腔長 ， ，使縱模選擇技術(shù)在激光技術(shù)中介紹。 T1qTLq1qT2.2 光學(xué)諧振腔 光學(xué)諧振腔的作用 光腔的縱模(橫模) 自激振蕩概念（損耗系數(shù)引入） 振蕩條件-激光產(chǎn)生的充分條件2.2光學(xué)諧振腔 本節(jié)任務(wù)本節(jié)任務(wù)：理解腔閾