《光学》课程教学资源（课件讲稿）第八章 光的量子性和激光 第四节 激光原理简介

Optics第八章光的量子性和激光第四节激光原理简介

第八章 光的量子性和激光 第四节 激光原理简介

Optics8.4激光原理简介8.4.1激光器概述8.4.2粒子的热平衡分布8.4.3自发辐射、受激辐射和受激吸收8.4.4布居反转与光放大8.4.5增益介质和增益系数8.4.6谐振腔的作用8.4.7谐振腔对频率的选择8.4.8激光的特点和应用

8.4 激光原理简介 8.4.1 激光器概述 8.4.2 粒子的热平衡分布 8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收 8.4.4 布居反转与光放大 8.4.5 增益介质和增益系数 8.4.6 谐振腔的作用 8.4.7 谐振腔对频率的选择 8.4.8 激光的特点和应用

Optics8.4.1激光器概述 LASER : Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation（受激辐射的光放大）是量子理论与光学理论完美结合的产物量子论：分立能级、跃迁、粒子数反转，实现光放大光学：法布里-珀罗腔实现选模单色性）、细锐极大值（（方向性）、布儒斯特窗实现偏振性

8.4.1 激光器概述 • LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大） • 是量子理论与光学理论完美结合的产物 • 量子论：分立能级、跃迁、粒子数反转，实现光放大 • 光学：法布里-珀罗腔实现选模（单色性）、细锐极大值 （方向性）、布儒斯特窗实现偏振性

OpticsCharlesTownes8.4.1激光器概述激光器的发展简史ArthurSchawlow1954，Charles Townes和ArthulSchawlow，第一个MASER1960，休斯顿航空公司Theodore Malman，第一台红ThomasMaiman.1960nrededinproducingtielarrnoaoteoraghiccolosfashlanpan宝石激光器(694nm)1960，Ali Javan，第一台HeNe连续激光器(632.8nm)

8.4.1 激光器概述 激光器的发展简史 • 1954，Charles Townes和Arthur Schawlow，第一个MASER • 1960 ， 休斯顿 航 空 公 司 Theodore Malman，第一台红 宝石激光器(694nm) • 1960，Ali Javan，第一台He￾Ne连续激光器 (632.8nm)

Optics8.4.1激光器概述激光器的基本构造泵浦源、激活介质、谐振腔光学谐振腔泵浦源激活介质

8.4.1 激光器概述 泵浦源、激活介质、谐振腔 激光器的基本构造 光学谐振腔

Optics8.4.2粒子的热平衡分布服从玻尔兹曼（Boltzmann）分布E-En/kTN..αenE2-EfN,EkTE)eIN.E2Ni室温下kT~10meV，处于高能级上的粒子数N,总是少于低能级E上的粒子数。对可见光：NN2 : 10-44,~10-100N

8.4.2 粒子的热平衡分布 服从玻尔兹曼（Boltzmann）分布 / E kT n N e n   2 1 2 2 1 1 1 ( ) E E N kT e E E N      室温下kT~10meV，处于高能级 上的粒子数N2总是少于低能级 上的粒子数。对可见光： 2 -44 -100 1 :10 10 N N ~

Optics8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收爱因斯坦辐射理论·高能级向低能级跃迁放出一个光子，，低能级向高能级跃迁吸收一个光子。光子的频率为：E, - E,V=h辐射、吸收过程和爱恩斯坦系数（1）自发辐射，高能态的粒子自发向低能态跃迁：dN2A,Ndt自发

8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收 爱因斯坦辐射理论 • 高能级向低能级跃迁放出一个光子， • 低能级向高能级跃迁吸收一个光子。 光子的频率为： E E 2 1 v h  辐射、吸收过程和爱恩斯坦系数 (1) 自发辐射，高能态的粒子自发向低能态跃迁： 21 21 2 dN A N dt       自发

Optics8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收辐射、吸收过程和爱恩斯坦系数(2）受激辐射，高能态的粒子在频率为的辐射场u(v）的作用下向低能态跃迁：dN21= B2,u(v) N,dt放大入射光！受激(3）受激吸收，低能态的粒子在频率为的辐射场u(v）的作用下向高能态跃迁：dN/2= Bzu (v) N,dt吸收A21,B21和Bi2被称作爱因斯坦系数，为原子本身属性

8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收 (2) 受激辐射，高能态的粒子在频率为 v 的辐射场 u(v) 的 作用下向低能态跃迁：   21 21 2 dN B u N dt        受激 放大入射光！ (3) 受激吸收，低能态的粒子在频率为 v 的辐射场 u(v) 的 作用下向高能态跃迁：   12 12 1 dN B u N dt        吸收 辐射、吸收过程和爱恩斯坦系数 A21, B21 和 B12被称作爱因斯坦系数，为原子本身属性

Optics8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收E2→E, 辐射 :dN21dN.21=B2,u(v) N, +A2IN2十dtdt受激自发E,→E,吸收:dN2= Bizu(v) N;dt吸收u~(v)--标准能谱u(v)=u-(v)热平衡状态下：dNdN 2dN 2121因此dtdtdt自发吸收受激或B2,ur (v) N, +A2,N,=Brzur (v) N

8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收 热平衡状态下：   = ( ) T u u   E2 → E1 辐射：   21 21 + = + 21 2 21 2 dN dN B u N A N dt dt              受激 自发 E1 → E2 吸收：   12 12 1 dN B u N dt        吸收 21 21 12 + = dN dN dN dt dt dt                   受激 自发 吸收 因此 或 B u N A N B u N 21 2 21 2 12 1 T T    + =   ( ) T u  - 标准能谱

Optics8.4.3自发辐射、受激辐射和受激吸收B2iur (v) N, +A2,N,=Bizur (v) NiA2,NA(VmNBr2_ B21B,2 N, - B2,N2N2L348元hur(v)=-ro利用普朗克公式O0hv/kT-1eCLS8元hAn得到O0hv/kTN-1B/2-B21eN2

8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收 B u N A N B u N 21 2 21 2 12 1 T T    + =     3 0 3 / 4 8 ( ) , = 1 T h kT h u r T c c e        1 2 21 2 21 12 1 21 2 12 21 ( ) T N N A N A u B N B N B B      利用普朗克公式 得到 1 2 3 21 3 / 12 21 8 = 1 h kT N N h A c e B B     