《激光原理》習(xí)題課（一）

《激光原理》習(xí)題課（一）12023/1/11主講人：張彬第一章激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)光的基本性質(zhì)光的相干性和光子簡并度光的受激輻射概念自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系受激輻射的相干性激光器基本思想2復(fù)習(xí)：愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系熱平衡狀態(tài)：輻射率吸收率（輻射場總光子數(shù)保持不變）玻爾茲曼統(tǒng)計分布：——各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）——能級和的簡并度，或稱統(tǒng)計權(quán)重（1）（2）3與Planck公式比較得：由（1）和（2）可得：Planck公式為：4第二章典型激光器紅寶石激光器He-Ne激光器半導(dǎo)體激光器光纖激光器51、和產(chǎn)生632.8nm激光有關(guān)的He和Ne的能級結(jié)構(gòu)。（1）He有二個能級參予激光過程。基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)能級2，亞穩(wěn)態(tài)能級有較長的壽命。（2）Ne有四個能級參與632.8nm的激光過程。①基態(tài)

。②能級：1S2。③能級：2P4

，壽命是19.1ms。④能級：3S2（壽命10～20ms。復(fù)習(xí)：He-Ne激光器工作過程（7）1S態(tài)原子主要通過與管壁碰撞把能量交給管壁而回到基態(tài)，這一過程稱為“管壁效應(yīng)”。（6）2P4能級不能向基態(tài)躍遷（違禁的），而是通過自發(fā)輻射躍遷到1S2態(tài)。（5）Ne*原子的（3S2）向2P4躍遷，發(fā)出632.8nm的光。（4）He原子在2能級上不能通過自發(fā)輻射回到基態(tài)。但He*原子和基態(tài)Ne原子發(fā)生非彈性碰撞，把能量轉(zhuǎn)移給Ne原子，使Ne原子激發(fā)到3S2能級上。這就是所謂能量的共振轉(zhuǎn)移。2.激發(fā)過程（1）在熱平衡狀態(tài)下，He原子和Ne原子幾乎全部在自己的基態(tài)上（也就是所有原子都處于能量最低狀態(tài)），而其它能級基本上是空的。（3）He原子的2是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，能積累大量He原子。激發(fā)態(tài)原子常用He*表示。（2）當(dāng)激光管放電時，陰極發(fā)射電子高速向陽極運動，電子在運動中與基態(tài)He原子發(fā)生頻繁非彈性碰撞，電子能量轉(zhuǎn)移給He原子，使He原子從基態(tài)激發(fā)到2。這種碰撞可能是幾個電子輪番碰撞一個He。7第三章輻射場與物質(zhì)的相互作用譜線加寬線型函數(shù)自然加寬線型函數(shù)——洛侖茲型碰撞加寬（均勻加寬）光學(xué)多普勒效應(yīng)及其在激光器中的應(yīng)用多普勒加寬（非均勻加寬）受激躍遷幾率計算速率方程8復(fù)習(xí)：三能級系統(tǒng)速率方程E1E2E3W13S32A21W21W129E2E3E4W14S43A32W32W23E1S21四能級系統(tǒng)速率方程10例1：激光器輸出光波長為0.6m,輸出光功率為100mw,求為此每秒需要產(chǎn)生的光子數(shù)。解：11第四章介質(zhì)對光的增益小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和增益系數(shù)大信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和增益系數(shù)光波的能流密度與能流發(fā)射截面和吸收截面12復(fù)習(xí)：小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)1、三能級（1）簡化條件(a)不考慮受激躍遷

W12=W21=0(b)

S32>>W13(E3能級基本上是空的，即n3→0)E1E2E3W13S32A21（2）小信號速率方程n1+n2=n13（3）小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n1+n2=n→討論：①W13>A21時，n0>0。②W13<A21時，n0<0。n1+n2=n142、四能級（1）簡化條件(a)不考慮受激躍遷

W32=W23=0(b)

S43>>W14、S21>>A32(n2→0、n4→0)（2）小信號速率方程E2E3E4W14S43A32E1S21n1+n3=n15（3）小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n1+n3=n討論：W14>0時，n0>0。n1+n3=n16復(fù)習(xí)：小信號增益系數(shù)1、增益系數(shù)（1）定義：（2）單位：

1/m證：（3）計算I0:初光強，l:傳播距離,I:末光強172、有源腔光強計算(b)往返m周l:激光介質(zhì)長度證明：(a)傳播z距離（2）損耗、增益同時考慮（往返m周）（1）不考慮損耗18擴展：摻鐿光纖放大器速率方