《普通物理学》课程教学资源（PPT课件）第十四章 激光和固体的量子理论 14-1 激光

§14-1激光 一、受激吸收、自发辐射和受激辐射 如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到 较高能态，这种过程就称为受激吸收。 受激吸收 hv E2 演尔 让式不觉返司退

上页 下页 返回 退出 如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到 较高能态，这种过程就称为受激吸收。 受激吸收 §14-1 激光 一、受激吸收、自发辐射和受激辐射

没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低 能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。 E自发辐射-。 自发辐射 E2 演标 。 各个原子自发辐射的光是非相干光 士美子文返回退此

上页 下页 返回 退出 没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低 能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。 自发辐射 各个原子自发辐射的光是非相干光

若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激 励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同 频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。 E hv 受激辐射 E2 演尔 各个原子受激辐射的光是相干光 让贰下觉返可退此

上页 下页 返回 退出 若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激 励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同 频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。 受激辐射 各个原子受激辐射的光是相干光

二、产生激光的基本条件 激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。 激光的英文名为"'light amplification by stimulated emission of radiation'”第一个字母的缩写。 在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸 收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪 种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。 在通常情况下，原子在各能级上的分布服从 玻耳兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多。 光通过物质时，受激吸收占优势。 让贰下觉返可退

上页 下页 返回 退出 在通常情况下，原子在各能级上的分布服从 玻耳兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多。 光通过物质时，受激吸收占优势。 激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。 激光的英文名为“light amplification by stimulated emission of radiation”第一个字母的缩写。 在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸 收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪 种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。 二、产生激光的基本条件

1.粒子数反转 粒子数反转： E ·—E2 低能原子占优势产生光吸收 play Er rew 高能原子占优势产生光吸收 要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原 子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相 反，称为粒子数布居反转分布，简称粒子数反转。 让元下觉返回退欢

上页 下页 返回 退出 1.粒子数反转 要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原 子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相 反，称为粒子数布居反转分布，简称粒子数反转

通过给物质提供能量，可以使较多的原子 跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实 现粒子数反转。 存在粒子数反转分布的物质称为激活介质。 E3激发态 E亚稳态 ◆0◆0000●00E1基态

上页 下页 返回 退出 通过给物质提供能量，可以使较多的原子 跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实 现粒子数反转。 存在粒子数反转分布的物质称为激活介质

2.光学谐振腔 全反镜 半反镜 泵浦 要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。 在激活介质的两端安置两块反射镜面，一个是 全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其 间的空间称为光学谐振腔。 让元下文道司退此

上页 下页 返回 退出 2.光学谐振腔 在激活介质的两端安置两块反射镜面，一个是 全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其 间的空间称为光学谐振腔。 要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔

Nn Ma 光学谐振腔对光的方向选择性 最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射 镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回 反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的 强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。 上意子意蕴可退

上页 下页 返回 退出 最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射 镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回 反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的 强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。 光学谐振腔对光的方向选择性

3.阈值条件 光传播过程中，光强增量 dI=GI(x)dx G为增益系数 积分可得光强 I=Inecx M, M2 设r1、r2为M1、M2的反射率则 12 IecL J3=313=5le 让式不觉返司退

上页 下页 返回 退出 3.阈值条件 光传播过程中，光强增量 d d I GI x x = ( ) G为增益系数 积分可得光强 0 Gx I I = e L 5 I 3 I 4 I 2 I 1 I M1 M2 设r1、r2为M1、M2的反射率则 2 1e GL I I = 3 2 2 2 1e GL I r I r I = =

I=IgeGl.=l e2cl. 1=l4=r51,e2G 在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质 对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的 各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益 大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称 为阈值条件。 r75e26>1 在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长 的光满足阈值条件，使该波长的光形成激光输出

上页 下页 返回 退出 2 4 3 2 1 e e GL GL I I r I = = 2 5 1 4 1 2 1e GL I r I r r I = = 在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质 对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的 各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益 大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称 为阈值条件。 在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长 的光满足阈值条件，使该波长的光形成激光输出。 2 1 2e 1 GL r r 