光的受激輻射

光的受激輻射（StimulatedEmission)一、光和物質(zhì)(原子、分子、離子，統(tǒng)稱粒子)相互作用的三種過(guò)程自發(fā)輻射(SP)

E1E2hn(SpontaneousEmission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激輻射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)E2andE1表示兩個(gè)激發(fā)態(tài)一個(gè)光子的能量輻射頻率E1E2hnE1E2hn自發(fā)輻射（SpontaneousEmission）。主要特征：無(wú)需外來(lái)光，隨機(jī)發(fā)光，發(fā)出的光子不相關(guān)，即相位、偏振態(tài)、傳輸方向是隨機(jī)的；發(fā)出的光子能量分布在許許多多個(gè)模式上。自發(fā)輻射幾率(Spontaneoustransitionrate)A21

－能級(jí)21躍遷的特征參數(shù)E2能級(jí)平均壽命推導(dǎo)A21ands

的關(guān)系式E1E2hn

在自發(fā)輻射過(guò)程中，E2能級(jí)上粒子隨時(shí)間按指數(shù)衰減自發(fā)輻射幾率A21與自發(fā)輻射（能級(jí)）壽命ts呈倒數(shù)關(guān)系

ts

可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，由A21=1/s可獲得自發(fā)輻射幾率

A21只決定于物質(zhì)本身性質(zhì)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)

受激躍遷

受激吸收stimulatedabsorption(STA)

受激發(fā)射stimulatedemission(STE)hnE1E2

受頻率為的光場(chǎng)作用

受激輻射的光子具有完全相同的相位、偏振態(tài)和傳輸方向受激吸收幾率W12受激輻射幾率W21－單色能量密度(J·m-3·s)受激輻射幾率與輻射場(chǎng)的強(qiáng)度成正比能級(jí)21and12的受激躍遷幾率相等即

受激躍遷與自發(fā)躍遷是本質(zhì)不同的物理過(guò)程為受激吸收和受激輻射躍遷系數(shù)，常數(shù)

B12和B21的大小只與物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)A21、B21和B12關(guān)系式（愛(ài)因斯坦關(guān)系式）推導(dǎo)二、愛(ài)因斯坦關(guān)系式－A21、B21和B12的關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系熱平衡黑體輻射公式玻爾茲曼分布模密度n黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式的平均能量f1=f2能級(jí)簡(jiǎn)并度說(shuō)明：SPE,STA,STE三種過(guò)程同時(shí)存在，只是有強(qiáng)弱差別

單位時(shí)間STE增加的光子數(shù)密度單位時(shí)間STA減少的光子數(shù)密度3.兩種受激躍遷比較(熱平衡情況下)T=1500K,l=500nm空腔2.兩種輻射比較(熱平衡情況下)SPE（自發(fā)輻射）占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)4.自發(fā)輻射光子可作為引起受激輻射的外來(lái)光

起始階段的受激輻射的外來(lái)光來(lái)自于介質(zhì)的自發(fā)輻射因此，當(dāng)光在介質(zhì)內(nèi)傳輸時(shí)，光將被吸收而衰減。

激光產(chǎn)生的基本原理（概述）激光產(chǎn)生的條件:(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布(2)增益>損耗即自激振蕩的閾值條件FlashlampFlashlampOutputbeamExternalmirrorExternalmirrorPartlytransmissionRubylaser694.3nm

發(fā)光粒子－鉻離子(Cr3+)

泵浦光源－閃光燈,其作用是實(shí)現(xiàn)鉻離子反轉(zhuǎn)分布

光諧振腔－兩平面反射鏡，實(shí)現(xiàn)光反饋，使受激輻射光放大形成激光以紅寶石激光器(RubyLaser)為例一、受激輻射占優(yōu)勢(shì)的條件－粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（populationinversion）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射占主導(dǎo)光放大實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱為增益(或激活)介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的前提條件如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？

只有依靠外界向物質(zhì)提供能量(泵浦或稱激勵(lì))才能打破熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)En常溫下，Bolzman分布反轉(zhuǎn)分布r1r2mediumenergysourceAlmostanyenergysourcecanbeusedaspump,evenanotherlaser.泵浦方法

光學(xué)

a)閃光燈；b)其它激光器（如半導(dǎo)體激光器）電

a)氣體放電;b)大能量電子束;c)注入電流(產(chǎn)生電子-空穴對(duì))3.化學(xué)反應(yīng)a)火焰;b)爆炸4.電離性輻射a)核彈b)X-ray5.

Thermaloven……二、受激輻射光放大

開(kāi)放式諧振腔（Openresonatororcavity）

模選擇提高光子簡(jiǎn)并度(Photondegeneracy)

激活介質(zhì)中的增益

增益系數(shù)(gaincoefficient),增益飽和(gainsaturation)

增益曲線(gainprofile)

光子簡(jiǎn)并度開(kāi)放式諧振腔的模選擇增益系數(shù)(小信號(hào)、大信號(hào)、增益飽和)d.增益曲線(增益系數(shù)對(duì)于頻率的分布)激光特性:單色性好、方向性好、光亮度

相干光(coherentlight)

自發(fā)輻射～非相干光－光子簡(jiǎn)并度很低受激輻射～相干光－光子簡(jiǎn)并度高

什么是光子簡(jiǎn)并度n

－衡量相干光的參量

具有相同能量和動(dòng)量的光子數(shù)（也稱同態(tài)光子數(shù)）同一模式中的光子數(shù)Photondegeneracy例：黑體輻射源（近似封閉腔）的光子簡(jiǎn)并度黑體輻射分配到每個(gè)模式的平均能量模密度nExample:T=300K=30cmn=103coherent=60mn=1;=0.6mn=10-35incoherent結(jié)論:黑體輻射在紅外和可見(jiàn)光波段為非相干的模密度nn物理意義?(2)避免產(chǎn)生許多模式，特定模式的增加，使相干的STE光子集中在一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)模內(nèi)。(3)將封閉腔改為開(kāi)放式諧振腔(1)最簡(jiǎn)單的開(kāi)放式諧振腔是F-P腔軸向模F-P光諧振腔Closedcavity開(kāi)放式光諧振腔使特定（軸向）模式的增加,其它模式(非軸向)逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡(jiǎn)并度。

光諧振腔有選模作用，是構(gòu)成激光器的主要部分。

0z增益介質(zhì)

增益系數(shù)(GainCoefficient)與增益曲線

增益系數(shù)－描述激光工作物質(zhì)放大特性的參數(shù)Dn(z)I(z)I00zdz薄層凈STE光子數(shù)密度定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度介質(zhì)中光強(qiáng)增大的百分比

若介質(zhì)中Dn分布均勻,g(z)常數(shù)g0－小信號(hào)增益系數(shù)

光放大光被吸收透明*隨著光強(qiáng)不斷增大，增益系數(shù)是否能保持常數(shù)請(qǐng)考慮每一變化的物理原因？受激輻射使消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增多（注意前提條件）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和

增益飽和－大信號(hào)情況No!增益飽和g(I)

（GainSaturation)問(wèn)題:何時(shí)會(huì)出現(xiàn)增益飽和？飽和光強(qiáng)

Is:其值由增益介質(zhì)本身性質(zhì)決定光強(qiáng)增大到一定程度,g

將隨

I

的增大而減小小信號(hào)增益系數(shù)，常數(shù)，與I無(wú)關(guān)大信號(hào)增益系數(shù)，g(I)<g0增益飽和（飽和增益系數(shù)）增益曲線g(n)

－增益系數(shù)相對(duì)于頻率的分布問(wèn)題的提出：引起STE的外來(lái)光(自發(fā)輻射）不是單一頻率，有一定的頻率分布增益線寬Dn定義:增益曲線極大值的半高全寬(FWHM)ng(n)n0損耗系數(shù)a

激活介質(zhì)中不僅存在增益，還有損耗g&a并存的介質(zhì)中，光強(qiáng)的變化解微分方程并有dz薄層g&損耗系數(shù)－單位長(zhǎng)度光強(qiáng)衰減的百分比負(fù)增益系數(shù)三、自激振蕩器（引出激光閾值條件、極值光強(qiáng)等）

（1）自激振蕩概念(電)自激振蕩器必須具備的基本條件：同相；振幅平衡激光器光自激振蕩器如何實(shí)現(xiàn)光的正反饋和穩(wěn)定的振幅（光強(qiáng)）？光諧振腔增益和損耗達(dá)到平衡amplifierfeedbackr1r2ActivemediumPumpforproducinganinversion激光振蕩的閾值條件I0Imgg0zzI0只要增益介質(zhì)足夠長(zhǎng)，無(wú)論初始光強(qiáng)I0如何，通過(guò)增益飽和，總可以達(dá)到確定的極值光強(qiáng)Im

即自激振蕩概念設(shè)增益介質(zhì)無(wú)限長(zhǎng)，且增益與損耗并存

激光器是否振蕩與初始光強(qiáng)無(wú)關(guān)初始光強(qiáng)來(lái)自于自發(fā)輻射介質(zhì)增益飽和作用使增益和損耗的平衡決定了激光的最后輸出功率（2）如何使有限長(zhǎng)增益介質(zhì)成為“無(wú)限長(zhǎng)”光放大器

沿著腔軸的光在腔內(nèi)多次往返等效無(wú)限長(zhǎng)放大器（3）自激振蕩條件－激光振蕩條件－閾值條件Indexofrefraction:hmediumlengthLr1r2I0I1

Thresholdcondition(閾值條件）光諧振腔:光學(xué)正反饋；同相位增益飽和：極值光強(qiáng)；穩(wěn)定振幅

d－單程損耗，即單程渡越時(shí)腔內(nèi)平均光強(qiáng)衰減的比值閾值條件閾值(自激振蕩)條件是激光產(chǎn)生的必要條件，唯一地由激光器的損耗決定。

損耗是評(píng)價(jià)激光器的重要指標(biāo)=d－激光腔內(nèi)的平均損耗系數(shù)，包括激活介質(zhì)、諧振腔及其它損耗例2．在紅寶石Q調(diào)制激光器