基础物理学激光原理★激光的特性及应用方面激光的特性:⑴方向性好、亮度高⑵单色性好、相干长度可达几十千米⑶空间相干性好.甚至两个独立的激光器之间也能实现干涉激光的应用方面:☆利用激光的定向强光特性有：激光通讯、激光测距、激光切削、激光手术、激光雷达等.☆利用激光的单色相干性有：激光全息、激光干涉、激光信息传输、激光识别等.§7.5激光原理★光的自发辐射，受激辐射和受激吸收⑴自发辐射:E2E1E2:泛指高能级E1:泛指低能级从高能级E2自发跃迁到→低能级E1而发射光子其特点：各原子独立发光而无确定相位关系-—--非相干辐射⑵受激辐射(爱因斯坦于1917年提出):当外来光子的能量恰好为hv=E2-E1时,高能态E2的原子受激励而向低能态E1跃迁而发同频光如图→E2E1其特点：受激辐射光=引发光相干辐射ΔN21=A21N2Δt自ΔN21=B21ρvN2Δt受辐射场能量密度ρv⑶受激吸收:E2E1处于低能态E1的原子可吸收外来频ΔN12=B12ρvN1Δt率为v的光子能量hv=E2-E1，从而跃迁到高能态E2。自发辐射与受激辐射谁占优势?ΔN21=A21N2Δt自ΔN12=B21ρvN2Δt受←Δt内自发辐射的原子数ΔN21∝N2和ΔN21∝Δt自自A21:表示在单位时间内,自发辐射的原子数占高能态原子数的百分比-----自发辐射概率.←Δt内受激辐射的原子数ΔN21∝N2和ΔN21∝Δt受受B21ρv:表示在单位时间内,受激辐射的原子数占高能态原子数的百分比-----受激辐射概率.∴R=A21/(B21ρv)的大小可以反映谁占优势.B12ρvN1=A21N2+B21ρvN2B12=B21(爱因斯坦系数)热平衡下：ΔN12=ΔN21+ΔN21受自B12ρvN1=A21N2+B21ρvN2且原子数的分布遵从玻尔兹曼分布：代入B12ρvN1=A21N1e-hv/kT+B21ρvN1e-hv/kTB12ρv=A21e-hv/kT+B21ρve-hv/kT只有B12=B21→含1/(ehv/kT-1)因子等式两边才出现e-hv/kT因子.因ρv~黑体辐射公式取T=300K(室温),v=5×1014Hz(可见光),R≈e80=1035表明自发辐射占据优势★激光原理热平衡系统→玻尔兹曼分布N2＜N1光经物质后，光强变化ΔI∝ΔN=N2-N1若N2＞N1→ΔI＞0,则光放大;反之亦然.无光放大非热平衡系统→可能实现N2＞N1→可能实现光放大.⑴粒子数反转分布粒子数反转分布—激光的必要条件激光器的三构件：①工作介质(激活物质)②激励能源③谐振腔如下三能级系统或四能级系统可实现粒子数反转:△三能级系统工作原理抽运激励能源→抽运基态粒子→到高能态E3(寿命短)→跃迁到E2(寿命长)→结果:N2＞N1△四能级系统工作原理抽运E2E1E3寿命短基态寿命长(亚稳态)E2E1E3E4寿命短基态寿命长(亚稳态)优点:避开了基态粒子数太多.由亚稳态E3与E2实现粒子数反转N3＞N2⑵谐振腔的作用L无谐振腔情况:无方向，放大有限(∵工作介质空间有限)∴无激光在轴线上，光强反复放大∴有激光 有了方向性全反射部分反射(98%)激光⑶阈值条件⑷谐振腔使谱线变得更窄的作用提示：腔内能形成驻波的光才放大→激光请同学们自学此部分LG为增益值12r1为反射镜1上的反射率r2为反射镜2上的反射率全反射部分反射(98%)
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