激光的基本知识.ppt

受激辐射产生的光子是相干的。常温条件或对发光物 质无激发的情况下，发光粒子处于下能级E1的粒子数密度 n1大于处于上能级E2的粒子数密度n2。此时当有频率等于 ν=（E2-E1）/h的一束光通过发光物质时，受激吸收将大 于受激辐射，故光强减弱。
粒子数反转：如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不 断地向发光物质输入能量，把出入下能级的发光粒子激发 到上能级上去，便可以使上能级E2的粒子数密度超过下能 级E1的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。 激光放大器的基本原理：只要使发光物质处在粒子数反转 的状态，受激辐射就会大于受激吸收。当频率为ν的光束 通过发光物质，光强就会得到放大。这便是激光放大器的 基本原理。 激光振荡器或简称激光器的基本原理：即便没有入射光， 只要发光物质中有一个频率合适的光存在，便可象连锁反 应一样，迅速产生大量相同的光子，形成激光。这就是激 光振荡器或简称激光器的基本原理。
只要抽运速率达到一定程度，就可以实现E2与E1两个 能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造条件。例如固体 激光器中的红宝石激光器激活粒子——铬离子就属于这类 能级系统。
（b）图：E1是基态，但它不作为激光下能级，而是以E3 和E2分别作为激光上能级和下能级。
在这种三能级系统里，E3的寿命要比E2要长，E2能级 在热平衡条件下基本上是空的。因此，只要抽运一些粒子
光学谐振腔的作用主要有以下两个方面：
1. 产生于维持激光振荡。光在粒子数反转的激光工作物 质中传播时得到光放大，由于光学谐振腔的存在，一方面 在它提供的光学正反馈作用下，腔内光子数因不断往返通 过激光工作物质而被放大；另一方面由于谐振腔存在各种 损耗（如输出损耗、衍射损耗、吸收与散射损耗等），腔 内光子数有不断减少。当放大与衰减互相抵消时，就可以 形成稳定的光振荡，输出功率稳定的激光。
常用激光器的激活粒子能级系统大致可分为两大类： 三能级系统与四能级系统。
（一）三能级系统 下图画出了两种三能级系统的示意图。
非辐射跃迁：指不发射光 子的跃迁，它是通过释放 其它形式的能量如热能而 完成的。
（a）图中：E1为基态，作为激光下能级；E3能级的寿命 很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达E2能级；E2 能级寿命比起E1来要长得多，称为亚稳态，并作为激光上 能级。
基质+激活粒子=激光工作物质
（二）泵浦源 定义：为了形成粒子数反转，须要对激光工作物质进行激 励，完成这一任务的是泵浦源。
不同的激光工作物质往往采取不同的泵浦源。例如， 固体激光器一般是用普通光源如氙灯作泵浦源，对激光工 作物质进行光照，又称光泵。对于气体激光工作物质，常 常是将它们密封在细玻璃管内，两端加电压，通过放电的 方法来进行激励。
这种能级系统也很容易实现AG） 中的激活粒子——钕粒子便属于这类能级系统。
因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的 必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能 量，我们称之一过程为激励、抽运或者泵浦。
二、激光器构造
➢激光工作物质 ➢泵浦源 ➢光学谐振腔
（一）激光工作物质 激活粒子：为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成 粒子数反转的发光粒子。激活粒子可以是分子、原子或离 子 基质：这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附 于某些材料中。为了激活粒子提供寄存场所的材料成为基 质，它们可以是固体或液体。
激光应用于工业、农业、 军事、交通、科研以至日常 生活等几乎所有的国民经济 领域。它大大丰富了传统光 学的内容，并发展形成了数 门，乃至数十门新型的边缘 科学。
本节介绍激光产生的最 基本的原理、激光器的基本 结构以及激光工作物质的能 级系统等基础知识。
一、激光产生的基本原理 受激辐射光放大：
在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在 上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光 子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状 态相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可引起 大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的 光子。
到达E3能级，就很容易实现粒子数反转，经受激辐射后到 达E2的粒子可迅速通过非受激辐射跃迁回到基态E1。例如 气体激光器中的氩离子激光器的激活粒子——氩离子就属
于此类能级系统。
（二）四能级系统 下图画出两种四能级系统的示意图。
（a）图：E1是基态；E4能级寿命很短，抽运的激活粒子 立即通过非辐射跃迁的方式到达E3能级；E3能级的寿命 比E4长为亚稳态，作激光的上能级；E2能级寿命很短，热 平衡是基本上是空的，作为激光下能级用，E2能级上的 粒子主要也是通过非辐射跃迁回到基态。
2. 改善输出激光的质量。由于激光束的特性与谐振腔的 结构有着不可分割的联系，因此可以通过改变腔参数的方 法达到控制光束特性的目的，如提高激光的方向性、单色 性、输出功率等。
三、激活粒子的能级系统 产生激光的必要条件是实现粒子数反转，而为了实现
粒子数反转就必须要有适合的能级系统的激活粒子。在这 些激活粒子的能级系统中，首先必须要有激光上能级和激 光下能级，除此之外，往往还需有一些与产生激光有关的 其它能级。
1-4 激光的基本知识
1917年爱因斯坦就预言 了受激辐射的存在，但在一
般人平衡情况下，物质的受
激辐射总是被受激吸收所掩
盖，未能在实验中观察到。
直到1960年，第一台红宝石 激光器才面世它标志了激光
技术的诞生。
从此激光技术的发展十分
迅速，现已在几百种工作物 质中实现了光放大或制成了
Einstein
激光器。
（三）光学谐振腔 仅仅使激光工作物质处于粒子数反转状态，虽可获
得激光，但它的寿命很短，强度也不会太高，并且光波模 式多、方向性很差。这样的激光几乎没有什么是用价值。 为了得到稳定持续、有一定功率的高质量激光输出，激光 器还必须有一个光学谐振腔。它是由放置在激光工作物质 两边的两个反射镜组成，其中之一是全反射镜，另一个作 为输出镜使用，是部分反射、部分透射的半反射镜。