激光原理與技術(shù)（課堂PPT）

1、激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)1-1 1-1 相干性的光子描述相干性的光子描述1-2 1-2 光的受激輻射基本概念光的受激輻射基本概念1-3 1-3 光的受激輻射放大光的受激輻射放大1-4 1-4 光的自激振蕩光的自激振蕩激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)一光子的基本性質(zhì)一光子的基本性質(zhì) 34,6.626 10h hJ S 00023.2hhP mcnnnkc 022 .,0hmmc激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。因此大量光子的集合，服從玻色因此大量光子的集合，服從玻色愛(ài)因斯愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。處于同一狀態(tài)的光子數(shù)目是坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。處于同

2、一狀態(tài)的光子數(shù)目是沒(méi)有限制的，這是光子與其它服從費(fèi)米統(tǒng)沒(méi)有限制的，這是光子與其它服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布的粒子計(jì)分布的粒子( (電子、質(zhì)子、中子等電子、質(zhì)子、中子等) )的重的重要區(qū)別。要區(qū)別。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 按照量子電動(dòng)力學(xué)概念，光波的模式和光子的狀態(tài)按照量子電動(dòng)力學(xué)概念，光波的模式和光子的狀態(tài)是等效的概念。是等效的概念。 20( , )it ik rE r tEe 光波模式 麥克斯韋麥克斯韋( (c.Maxwell)c.Maxwell)方程決定。單色平面波是麥方程決定。單色平面波是麥克斯韋方程的一種特解，麥克斯韋方程的通解可克斯韋方程的一種特解，麥克斯韋方程的通解可表為一系列單色平面

3、波的線性疊加。表為一系列單色平面波的線性疊加。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)Vxyz ,222x my nz q 駐波條件2,xyzmnqkkkxyz激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)3xyzkkkxyzV2k m,n,qm,n,q為正整數(shù)，對(duì)應(yīng)腔內(nèi)一種模式為正整數(shù)，對(duì)應(yīng)腔內(nèi)一種模式( (包含兩包含兩個(gè)偏振個(gè)偏振) )。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 在在k k空間內(nèi)，波矢絕對(duì)值處于區(qū)間空間內(nèi)，波矢絕對(duì)值處于區(qū)間kkd k2148k d k體積為23148Vk d k該體積內(nèi)的模式數(shù)為 波矢波矢空間空間K zK xK yKO激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)238vvvdvdvVc之間的模式數(shù)為有兩種不同的偏

4、振，上述模式數(shù)應(yīng)乘有兩種不同的偏振，上述模式數(shù)應(yīng)乘 2 2 222vdvkd kcc，激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：微觀粒子的坐測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定，標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定，位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越測(cè)位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越測(cè)不準(zhǔn)。不準(zhǔn)。xx ph 一維測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系3xyzx y z p p ph 三 維 測(cè) 不 準(zhǔn) 關(guān) 系3xyzx y z p p ph 六維相空間中光子的體積(X ,p)OpxX激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 上述相空間體積元稱為上述相空間體積元稱為相格相格。 相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小

5、尺度。尺度。 光子的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，光子的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，但不能確定它在相格內(nèi)部的對(duì)應(yīng)位置。但不能確定它在相格內(nèi)部的對(duì)應(yīng)位置。 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)微觀粒子和宏觀質(zhì)點(diǎn)不同，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在微觀粒子和宏觀質(zhì)點(diǎn)不同，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在相空間中不是對(duì)應(yīng)一點(diǎn)而是對(duì)應(yīng)一個(gè)相格。相空間中不是對(duì)應(yīng)一點(diǎn)而是對(duì)應(yīng)一個(gè)相格。這表明微觀粒子運(yùn)動(dòng)的這表明微觀粒子運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性不連續(xù)性。僅當(dāng)所考慮的運(yùn)動(dòng)物體的能量和動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大僅當(dāng)所考慮的運(yùn)動(dòng)物體的能量和動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由普朗克常數(shù)于由普朗克常數(shù)h h所標(biāo)志的量所標(biāo)志的量hv hv和和hk hk，以致以致量量子化效應(yīng)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力

6、學(xué)過(guò)渡到子化效應(yīng)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)過(guò)渡到經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 一個(gè)光波模在相空間也占有一個(gè)相格，一個(gè)光波一個(gè)光波模在相空間也占有一個(gè)相格，一個(gè)光波模等效于一個(gè)光子態(tài)。模等效于一個(gè)光子態(tài)。 3xyzhxyzppp2,22xyxyzzpkpk pk 又3xyzx y z p p ph 則激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 光的相干性：在不同的空間點(diǎn)上、在不同的時(shí)光的相干性：在不同的空間點(diǎn)上、在不同的時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性刻的光波場(chǎng)的某些特性( (例如光波場(chǎng)的相位例如光波場(chǎng)的相位) )的相的相關(guān)性。關(guān)性。 相干體積：如果在空間體積相干體積：如果在空間體積V Vc c 內(nèi)各點(diǎn)

7、的光波場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則都具有明顯的相干性，則V Vc c 稱為相干體積。稱為相干體積。cccccVA LAc激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 普通光源發(fā)光，是大量獨(dú)立振子普通光源發(fā)光，是大量獨(dú)立振子( (例如發(fā)光原例如發(fā)光原子子) )的自發(fā)輻射。每個(gè)振子發(fā)出的光波是由持續(xù)的自發(fā)輻射。每個(gè)振子發(fā)出的光波是由持續(xù)一段時(shí)間一段時(shí)間 t t或在空間占有長(zhǎng)度或在空間占有長(zhǎng)度c c t t的波列所組的波列所組成如圖所示。成如圖所示。 單原子發(fā)光的光波列和頻譜單原子發(fā)光的光波列和頻譜 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)1ccvLcttv，光源單色性越好，相干時(shí)間越長(zhǎng)光源單色性越好，相干時(shí)間越長(zhǎng)

8、光源的相干體積光源的相干體積 2322csccVvvv 如要求傳播方向限于如要求傳播方向限于之內(nèi)并具有頻帶寬度之內(nèi)并具有頻帶寬度的光波相干，則光源的空間體積應(yīng)小于的光波相干，則光源的空間體積應(yīng)小于V VCSCS。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 從光子觀點(diǎn)分析如下：由面積為從光子觀點(diǎn)分析如下：由面積為( ( X)X)2 2的光的光源發(fā)出動(dòng)量為源發(fā)出動(dòng)量為p p限于立體角限于立體角內(nèi)的光子，由內(nèi)的光子，由動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系知：動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系知： ,xyzhvh vpppppcc 3322csxyzhcx y zVpppvv 相格的空間體積和相干體積相等：相格的空間體積和相干體積相等：光子屬于光子屬于同一

9、光子態(tài)，則它們應(yīng)該包含在相干體積之內(nèi)。同一光子態(tài)，則它們應(yīng)該包含在相干體積之內(nèi)。屬于同一光子態(tài)的光子是相干的。屬于同一光子態(tài)的光子是相干的。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)結(jié)論：結(jié)論： 1 1相格空間體積以及一個(gè)光波?；蚬庾酉喔窨臻g體積以及一個(gè)光波?；蚬庾討B(tài)占有的空間體積都等于相干體積。態(tài)占有的空間體積都等于相干體積。 2 2屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的。不同狀態(tài)的光子或不同模式波是相干的。不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。的光波是不相干的。 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 一個(gè)好的相干光源，應(yīng)具有盡可能高的相干一個(gè)好的相干光源，應(yīng)具有盡可能高的

10、相干光強(qiáng)、足夠大的相干面積和足夠長(zhǎng)的相干時(shí)光強(qiáng)、足夠大的相干面積和足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間。間。 對(duì)普通光源來(lái)說(shuō)，增大相干面積、相干時(shí)對(duì)普通光源來(lái)說(shuō)，增大相干面積、相干時(shí)間和增大相干光強(qiáng)是矛盾的。為了增大相干間和增大相干光強(qiáng)是矛盾的。為了增大相干面積和相干時(shí)間，可以采用光學(xué)濾波來(lái)減小面積和相干時(shí)間，可以采用光學(xué)濾波來(lái)減小，縮小光源線度或加光闌以減小以及遠(yuǎn)離，縮小光源線度或加光闌以減小以及遠(yuǎn)離光源等辦法。但這一切都將導(dǎo)致相干光強(qiáng)的光源等辦法。但這一切都將導(dǎo)致相干光強(qiáng)的減小。減小。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。 含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模

11、式內(nèi)的光子數(shù)、含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)的光子數(shù) 激光器是一種把光強(qiáng)和相干性兩者統(tǒng)一起激光器是一種把光強(qiáng)和相干性兩者統(tǒng)一起來(lái)的強(qiáng)相干光源。相干光強(qiáng)決定于具有相來(lái)的強(qiáng)相干光源。相干光強(qiáng)決定于具有相干性的光子的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目。干性的光子的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)v 受激輻射概念是受激輻射概念是愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦首先提出的首先提出的(1917(1917年年) )v普朗克普朗克于于19001900年用輻射量子化假設(shè)成功地解年用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及釋了

12、黑體輻射分布規(guī)律，以及波爾波爾在在19131913年提年提出原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子化假設(shè)出原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子化假設(shè)v愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式并在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極輻射的普朗克公式并在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極為重要的概念：受激輻射和自發(fā)輻射。為重要的概念：受激輻射和自發(fā)輻射。4040年后，年后，受激輻射概念在激光技術(shù)中得到了應(yīng)用。受激輻射概念在激光技術(shù)中得到了應(yīng)用。 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體( (簡(jiǎn)稱黑體簡(jiǎn)稱黑體) )：處于溫度處于溫度T T的物體能的物體能夠發(fā)出和吸收電磁輻射。如果某一物體能夠完夠發(fā)出和

13、吸收電磁輻射。如果某一物體能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，則稱此物體為絕全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，則稱此物體為絕對(duì)黑體。（空腔即為絕對(duì)黑體）對(duì)黑體。（空腔即為絕對(duì)黑體） 熱輻射熱輻射( (溫度輻射溫度輻射):): 物體除吸收電磁輻射外，物體除吸收電磁輻射外，還會(huì)發(fā)出電磁輻射，這種還會(huì)發(fā)出電磁輻射，這種電磁輻射稱為熱輻射電磁輻射稱為熱輻射 . .激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 黑體輻射或平衡輻射黑體輻射或平衡輻射: : 黑體處于某一溫度黑體處于某一溫度T T的熱平衡情況下，則它所吸收的輻射能量應(yīng)的熱平衡情況下，則它所吸收的輻射能量應(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場(chǎng)之間等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與

14、輻射場(chǎng)之間應(yīng)處于能量應(yīng)處于能量( (熱熱) )平衡狀態(tài)。顯然，這種平衡平衡狀態(tài)。顯然，這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)。這必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)。這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。 單色能量密度單色能量密度 ：在單位體積內(nèi)，頻率處在單位體積內(nèi)，頻率處于于 附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量。附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量。量綱為量綱為 焦耳焦耳米米3 3秒秒 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)普朗克量子化假設(shè)及黑體輻射普朗克公式普朗克量子化假設(shè)及黑體輻射普朗克公式： 腔內(nèi)單位體積內(nèi)，頻率腔內(nèi)單位體積內(nèi)，頻率處于處于 附近的單位頻率間附近的單位

15、頻率間隔中的光波模式數(shù)：隔中的光波模式數(shù)： 238vvnc每個(gè)模式的平均能每個(gè)模式的平均能量為：量為： 1h vkTh vEe33811vhvkThvce激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 輻射場(chǎng)輻射場(chǎng) 是構(gòu)成黑體的物質(zhì)原子相互作是構(gòu)成黑體的物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們只考慮原子用的結(jié)果，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們只考慮原子的兩個(gè)能級(jí)的兩個(gè)能級(jí)E E1 1和和E E2 2，并有并有 21EEhv 單位體積內(nèi)處于兩能級(jí)的單位體積內(nèi)處于兩能級(jí)的原子數(shù)分別用原子數(shù)分別用n n2 2和和n n1 1表示表示 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)自發(fā)輻射自發(fā)輻射(spontaneous radiation) 設(shè)設(shè)

16、n1 、n2 單位體積中處于單位體積中處于E1 、E2 能級(jí)的原子數(shù)。能級(jí)的原子數(shù)。單位體積中單位時(shí)單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，間內(nèi)， 從從E2 E1自發(fā)輻射自發(fā)輻射 的原子數(shù)：的原子數(shù)： 212dnndt自發(fā)E2E1n2n1h 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)寫成等式寫成等式 21212dnA ndt自發(fā) 21 自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位 時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過(guò)程的概率。時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過(guò)程的概率。 各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、 無(wú)關(guān)的無(wú)關(guān)的 非非相干光相干光 。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)受激輻射受激輻射 (stimulated radiat

17、ion)E2E1n2n1全同光子全同光子h 設(shè)設(shè) （ 、）溫度為溫度為時(shí)時(shí), 頻率為頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的附近，單位頻率間隔的 外來(lái)光的能量密度。外來(lái)光的能量密度。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E E E E 受激輻射的原子數(shù)：受激輻射的原子數(shù)：212()dnT ndt 受激、寫成等式寫成等式21212dnBTndt 受激、 B B2121受激輻射系數(shù)受激輻射系數(shù)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)W21 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 受激輻射過(guò)程的概率。受激輻射過(guò)程的概率。21212dnWndt受

18、激則則受激輻射光與外來(lái)光的頻率、偏振方向、受激輻射光與外來(lái)光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同相位及傳播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21 = B21 （ 、T）激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)吸收吸收(absorption)E2E1n2n1h 上述外來(lái)光也有可能被吸收，上述外來(lái)光也有可能被吸收， 使原子從使原子從 E1E2。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來(lái)光而從單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來(lái)光而從 E1E2 的原子數(shù)：的原子數(shù)：121,dnT ndt 吸收激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志是：熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志是： 1腔內(nèi)存在著熱平衡黑體輻射。腔內(nèi)存在著熱平衡黑體

19、輻射。 2腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按能級(jí)分布應(yīng)服從腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按能級(jí)分布應(yīng)服從熱平衡狀態(tài)下的玻爾茲曼分布熱平衡狀態(tài)下的玻爾茲曼分布 212211EEKTngeng212112spststdndndndtdtdt激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)21 221 212 1vvA nB nB n3211212123218,vAvB gB gn hvBc12gg當(dāng)1221BB1221WWA21 、B21 、B12 稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)。稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在 19171917年從理論上得出年從理論上得出1233218BChA 愛(ài)因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上愛(ài)因斯坦的

20、受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。B21 = B12激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)22121 2spdndnA ndtdt 2122020stA tn tn en e2 11sAA A2121 : 原子在能級(jí)原子在能級(jí) E2上的平均壽命上的平均壽命 S S 的倒數(shù)的倒數(shù) 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)設(shè)高能級(jí)設(shè)高能級(jí)E En n躍遷到躍遷到E Em m的躍遷幾率為的躍遷幾率為A Anmnm，則則激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E En n的自發(fā)輻射平均壽命為：的自發(fā)輻射平均壽命為：mnmA1h激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射是原子在不受外界輻射場(chǎng)控制情況是原子

21、在不受外界輻射場(chǎng)控制情況下的自發(fā)過(guò)程。大量原子的自發(fā)輻射場(chǎng)的相下的自發(fā)過(guò)程。大量原子的自發(fā)輻射場(chǎng)的相位是無(wú)規(guī)則分布的因而是不相干的。此外，位是無(wú)規(guī)則分布的因而是不相干的。此外，自發(fā)幅射場(chǎng)的傳播方向和偏振方向也是無(wú)規(guī)自發(fā)幅射場(chǎng)的傳播方向和偏振方向也是無(wú)規(guī)則分布的，自發(fā)輻射平均地分配到腔內(nèi)所有則分布的，自發(fā)輻射平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。模式上。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)受激輻射受激輻射 在外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光過(guò)在外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光過(guò)程，因而容易設(shè)想各原子的受激輻程，因而容易設(shè)想各原子的受激輻射的相位不再是無(wú)規(guī)則分布，而應(yīng)射的相位不再是無(wú)規(guī)則分布，而應(yīng)具有和外界輻射場(chǎng)相同的相位。具有和

22、外界輻射場(chǎng)相同的相位。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 在量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上可以證明：在量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上可以證明：受激輻射光子與入射受激輻射光子與入射( (激勵(lì)激勵(lì)) )光子屬于同光子屬于同一光子態(tài)；或者說(shuō)，受激輻射場(chǎng)與入射一光子態(tài)；或者說(shuō)，受激輻射場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)具有相同的頻率、相位、波矢輻射場(chǎng)具有相同的頻率、相位、波矢( (傳播方向傳播方向) )和偏振，因而，受激輻射場(chǎng)和偏振，因而，受激輻射場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)屬于同一模式。與入射輻射場(chǎng)屬于同一模式。 大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射處于同一光波模或同一光子的受激輻射處于同一光波?；蛲还庾討B(tài)，因而是相干的。

23、態(tài)，因而是相干的。激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)一、光放大概念一、光放大概念 普通光源在紅外和可見(jiàn)光波段是非相干光源普通光源在紅外和可見(jiàn)光波段是非相干光源 11hvkTEnhve 對(duì)對(duì) = = 30 30cmcm（微波）微波），n n 10103 3 黑體基本上是黑體基本上是相干光源相干光源T300K:激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)即使提高黑體溫度，也不可能對(duì)其相干性即使提高黑體溫度，也不可能對(duì)其相干性有根本的改善。有根本的改善。 n n 1 1 ， = = 1 1 m,m,黑體溫度黑體溫度高達(dá)高達(dá)50000K。 對(duì)對(duì) = = 60 60 m m （遠(yuǎn)紅外輻射），（遠(yuǎn)紅外輻射）， n n 1 1

24、而對(duì)而對(duì) = = 0.6 0.6 m m （可見(jiàn)光），（可見(jiàn)光）， n n 1010-35-35，即在，即在一個(gè)光波模內(nèi)的光子數(shù)是一個(gè)光波模內(nèi)的光子數(shù)是1010-35-35個(gè)，個(gè)，(完全非相完全非相干光源干光源)。 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)33181vhvkTnhvec 受激輻射產(chǎn)生相干光子，而自發(fā)輻射產(chǎn)生受激輻射產(chǎn)生相干光子，而自發(fā)輻射產(chǎn)生非相干光子。能使腔內(nèi)某一特定模式非相干光子。能使腔內(nèi)某一特定模式( (或少數(shù)或少數(shù)幾個(gè)模式幾個(gè)模式) )的的 大大增加，而其它所有模式的大大增加，而其它所有模式的 很小，就獲得一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)模式高的光很小，就獲得一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)模式高的光子簡(jiǎn)并度。子簡(jiǎn)并

25、度。 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 光的受激輻射放大光的受激輻射放大: :若軸向模式不是被若軸向模式不是被原子吸收原子吸收(受激吸收受激吸收)，而是由于原子的受激，而是由于原子的受激輻射而得到放大，即獲得極高的光子簡(jiǎn)并度。輻射而得到放大，即獲得極高的光子簡(jiǎn)并度。 在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，各能級(jí)上在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，各能級(jí)上的原子數(shù)的原子數(shù)(或稱集居數(shù)或稱集居數(shù))服從玻爾茲曼統(tǒng)服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布計(jì)分布 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)2121EEKTnen21gg2121,EE nn 即在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)聚居數(shù)即在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)聚居數(shù)恒小于低能級(jí)聚居數(shù)恒小

26、于低能級(jí)聚居數(shù) .21EEvh 當(dāng)?shù)墓馔ㄟ^(guò)物質(zhì)時(shí)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)112221nWnW處于熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)只能吸收光子處于熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)只能吸收光子 若若 n2n1 物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為自己的對(duì)物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為自己的對(duì)立面立面光放大。光放大。 集居數(shù)反轉(zhuǎn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)(也可稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)也可稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn))。只有當(dāng)。只有當(dāng)外界向物質(zhì)供給能量外界向物質(zhì)供給能量(稱為激勵(lì)或泵浦過(guò)程稱為激勵(lì)或泵浦過(guò)程)，從而使物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)時(shí)，集居數(shù)反轉(zhuǎn)從而使物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)時(shí)，集居數(shù)反轉(zhuǎn)才可能實(shí)現(xiàn)。激勵(lì)才可能實(shí)現(xiàn)。激勵(lì)(或泵浦或泵浦)過(guò)程是光放大的必過(guò)程是光放大的必要條件。要條件。

27、激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 激活物質(zhì)激活物質(zhì)(或激光介質(zhì)或激光介質(zhì))：處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)光放大器。態(tài)的物質(zhì)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)光放大器。 放大放大(或增益或增益)系數(shù)：系數(shù)： 1dI zG zdzI z表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。百分?jǐn)?shù)。 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)光在介質(zhì)中傳播的物理圖像光在介質(zhì)中傳播的物理圖像激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 21 212 1dI zWn z Wn z hvdz 2121vB hvz n zn z dz 2121B hvI z n zn z dz 2121G zB hv n zn z激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 若若n n2 2(z)-n(z)-n1 1(z)(z)與與z無(wú)關(guān)，則無(wú)關(guān)，則G(z)G(z)為常數(shù)為常數(shù) 00G zI zI e增益飽和效應(yīng)增益飽和效應(yīng): :n n2 2(z)-n(z)-n1 1(z)(z)隨隨I增加而減少增加而減少, ,因因而增益系數(shù)而增益系數(shù)G(z)G(z)也隨也隨I的增加而減小的效應(yīng)的增加而減小的效應(yīng)。單位體積內(nèi)單位體積內(nèi)聚居數(shù)差值聚居數(shù)差值 00212101nnnnII激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù) 00021210011GnnG IB