《大学物理》PPT参考资料：第七章 激光 §7.1 粒子数按能级的统计分布原子的激发 §7.2 自发辐射 受激辐射和吸收 §7.3 粒子数反转 §7.4 增益系数

第七章 激光(1)

1 第七章 激 光（1）

第七章激光 前言 普通光源-自发辐射 激光光源-受激辐射 激光又名镭射( Laser),它的全名是 “辐射的受激发射光放大” (Light Amplification by Stimulated Emission of radiation)

2 普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射 前言 激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大” 。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 第 七 章 激 光

特点 相干性极好 ◆时间相干性好(△λ~10-8) 相干长度可达几十公里。 ◆空间相干性好,有的激光波面上 各个点都是相干光源。 方向性极好(发散角~104弧度 脉冲瞬时功率大(可达~1014瓦) 亮度极高

3 一. 特点： 方向性极好（发散角～10 -4弧度） 脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）  空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。  时间相干性好（～10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。 相干性极好 亮度极高

二.种类: 按工作物质分 固体(如红宝石Al2O3) 液体(如某些染料) 气体(如He-Ne,CO2) 半导体(如砷化镓GaAs) ●@● 按工作方式分 连续式(功率可达104W) 脉冲式(瞬时功率可达1014W) 三,波长:极紫外—可见光——亚毫米 (100nm) (1.222mm)

4 按工作方式分 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014W） 三 . 波长：极紫外──可见光──亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ） 二 . 种类： 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）   按工作物质分

§7.1粒子数按能级的统计分布 原子的激发 由大量原子组成的系统,在温度不太低的 平衡态,原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布: E2-0 n E E En n N∝ekT

5 §7.1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布： kT E n n N e 

若E2>E1,则两能级上的原子数目之比 E-E e kT< 数量级估计: T~103K; kT~138×10-20J~0.086eV; E2-E1lev; E-E 2 MeAT=e0.086≈10-5<<1

6 若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比 1 2 1 1 2     kT E E e N N 数量级估计： T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; E 2-E 1 ～1eV; 1 0 086 1 1 2         5 10 2 1 kT . E E e e N N

但要产生激光必须使原子激发;且N2>N, 称粒子数反转( population inversion) 原子激发的几种基本方式: 气体放电激发演示 原子间碰撞激发 3.光激发(光泵)

7 但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1 , 称粒子数反转(population inversion)。 原子激发的几种基本方式： 1．气体放电激发 2．原子间碰撞激发 3．光激发(光泵) 演示

§7.2自发辐射受激辐射和吸收 自发辐射( spontaneous radiation) E 2 hv N E 设M1、N2-单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。单位体积中单位时间内, 从E2→E1自发辐射 的原子数: 21 CC d)发

8 §7.2 自发辐射 受激辐射和吸收 一 . 自发辐射(spontaneous radiation) 设 N1 、 N2 — 单位体积中处于E1 、 E2 能级的原子数。单位体积中单位时间内， 从E2  E1自发辐射 的原子数： N2 dt dN        自发 21 E2 E1 N2 N1 h

写成等式 dN 21 d)发 21N2 自发辐射系数,单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率 各原子自发辐射的光是独立的、 无关的非相干光

9 写成等式 21 2 21 A N dt dN        自发 Ａ21自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光

受激辐射( stimulated radiation MAA=全同光子 设ρ(v、T)…温度为T时,频率为 v=(E2-E1)/附近,单位频率间隔的 外来光的能量密度

10 二．受激辐射 (stimulated radiation) E2 E1 N2 N1 全同光子 h 设 （、Ｔ）……温度为Ｔ时, 频率为  = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度