大学物理：《光学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第六章（6-2）激光

第一节激光

第一节 激 光

激光又名莱塞( Laser) 全名是“辐射的受激发射光放大” Light amplification by stimulated emission ot radiation 世界上第一台激光器诞生于1960年 1954年制成了受激发射的微波放大器 梅塞( Maser) 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论

激光又名莱塞 (Laser) 全名是 （Light amplification by stimulated emission of radiation） “辐射的受激发射光放大” 世界上第一台激光器诞生于1960年 1954年制成了受激发射的微波放大器 ——梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论

光的吸收与辐射 自发辐射 E2l 自发 E 辐/激 EI 射吸 收 E 受激吸收系 dw 系数 d收=kNB数 dNn d自发=N2 受激辐射 受 自发受激 ∧ 激 hy 辐射辐射 辐 射光波的频率 EI 系相位偏振态无关全同 d激=M2B数 般情况下B=B

自 发 辐 射 2 21 21 ) d d ( N A t N 自发 = 受 激 吸 收 B = B 自 发 辐 射 系 数 受 激 吸 收 系 数 E2 E1 kN IB t N 2 21 ) d d ( 受激 = kN IB t N =  1 12 ) d d ( 吸收 自发 辐射 受激 辐射 光波的频率 相位偏振态 无关 全同 一.光的吸收与辐射 受 激 辐 射 E2 E1 E2 E1 受 激 辐 射 系 数 一般情况下

粒子数反转和光放大 受激吸收 受激辐射 自发辐射 介质中的光强-MN1IB+kN2IB 忽略 光强变化~(N2-N1)B 状态2=eMN2AIN1 ∠I>0 说明 若介质处于粒子数反转态,光在其中传播时得以放大

二.粒子数反转和光放大 N2  N1 受激吸收 受激辐射 自发辐射 介质中的光强 I - kN1 IB + kN2 IB 忽略 1 2 1 1 2 =  − − kT E E e N N N1  N2 I  0 I  0 粒子数 反转态 介质 热平衡 状态 光强变化 I ~ ( N2 − N1 )IB 若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。 说明

例HeNe激光器中Ne气粒子数反转态的实现 3 亚稳态 碰撞 碰撞 电子m He

电子 碰撞 碰撞 亚稳态 例 He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现

增益介质中光强随传播距离的变换关系 增益介质:处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大 经过介质薄层,光强增量为 I +dI d/= gldz 增益介质 d I Jo Gdz l=le G--增益系数 z + 说明 在增益介质内,光强Ⅰ随传播距离按指数增加

dI = GIdz G -- 增益系数 增 益 介 质 I I+dI z dz 经过介质薄层, 光强增量为 Gz I I e = 0   = I z I G z I I 0 d d 0 I0 I0 o z I 增益介质：处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。 说明 在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。 三. 增益介质中光强随传播距离的变换关系

四.激光器的基本构成及激光的形成 1.基本构成部分 谐振腔 谐振腔,增益介质 激励能源 增益介质 2.激光的形成 光束在谐振腔内 来回震荡,在增 益介质中的传播全反 部分 使光得以放大,射镜 反射镜 并输出激光 激励能源

四. 激光器的基本构成及激光的形成 激励能源 增益介质 谐振腔 全反 射镜 部分 反射镜 (99) 谐振腔，增益介质， 激励能源。 1. 基本构成部分 2. 激光的形成 光束在谐振腔内 来回震荡，在增 益介质中的传播 使光得以放大， 并输出激光

五.诸振腔的作用 增益介质 1.限定光的方向 沿轴线的光在增益介质内来 回反射,连锁放大,输出形 成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔 2.延长增益介质 阈值条件 增益介质 regl 1 rIr2loe 2GL 2GL rilo GL

五. 谐振腔的作用 增益介质 1. 限定光的方向 沿轴线的光在增益介质内来 回反射，连锁放大，输出形 成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。 I0 e GL r1I0 e GL r1I0 e 2GL 2. 延长增益介质 r2 r1 ≤ I0 增益介质 阈值条件 1 2 1 2  GL rr e r1r2I0 e 2GL

3.光学谐振腔的选频 在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模 1)纵模 沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的 光振动(驻波)称为一个纵模 谱线是有 定的宽度的

3. 光学谐振腔的选频 1）纵模 沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的 在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模 谱线是有一 定的宽度的 光振动（驻波）称为一个纵模  ( )  0 I ( )  0 I 2 ( ) 0 I   0 

例如Ne原子的0.6328μm谱线的频率宽度为 △≈1.3×109Hz 0I×E NH0I×2 oOI×80.0 △v1.3×10 9 ≈3×10 6: 5×10 14 而为什么HeNe激光器输出激光的 会小到10-15呢?

而为什么He—Ne激光器输出激光的 Hz 10 5 10 6328 . 0 10 3 1 4 6 8     = = −   c 6 14 9 3 10 5 10 Δ 1.3 10 − − −     =   会小到10 - 15 呢？  Δ  1.3 10 9 Hz 例如Ne原子的0.6328 m谱线的频率宽度为