第二讲 激光原理 激光器基本结构.ppt

激光原理
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本节课主要内容
能级
跃迁
自发辐射
受激辐射
受激吸收
粒子数反转
三能级和四能级
激光器基本结构
纵模
横模
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按量子力学原理,原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中,这些定态称为原子的“能级”;原子能量的任何变化(吸收或辐射)都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。
E1
E3
E2
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能级: 粒子的内部能量值
高能级: 能量较高的能级
低能级: 能量较低的能级
基能级: 能量最低的能级
(相应的状态称基态)
激发能级: 能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态)
6

5
1
2
3
4
n
激发态
基态
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辐射跃迁和非辐射跃迁
: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程
: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)
①发射跃迁: 粒子发射一光子ε= hv=E2-E1而由高能级跃迁至低能级;
E2
E1
②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2-E1 而由低能级跃迁至高能级.
E2
E1
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6
: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)
: 粒子在激发态停留时间的平均值τ的
典型值: 10-7~10-9秒
:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射
跃迁, 则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒), 称亚稳能级,相应的态为亚稳态。
一般,能级寿命 10-8  10-9 S
如H原子 2p态 10-8 S
3p态 10-8S
亚稳态:如He原子的两个亚稳态能级
()  10-4 S
()  10-6 S
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高能级
低能级
热平衡时,单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律:
E
N
E2
E1
N1
N2
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光与物质相互作用的三种过程
爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律,从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程:
自发辐射
受激辐射
受激吸收
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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:
自发辐射过程(spontaneous radiation)
E2
E1
N2
N1
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