激光原理总结

Posted 2020-09-18

一共四章

Chapter 1

自发辐射: 上能级粒子，自发地从$E_2$能级跃迁到$E_1$能级，并辐射出光子

受激辐射: 上能级粒子，遇到能量等于能级差的光子，在光子激励下，粒子从$E_2$能级跃迁到$E_1$能级，并辐射出一个与入射光子完全相同的光子

受激吸收: 下能级粒子，遇到能量等于能级差的光子，在光子激励下，粒子从$E_1$能级跃迁到$E_2$能级，并吸收一个入射光子

爱因斯坦系数：

\[dn_{21}=A_{21}n_2 dt \,\,(自发辐射)\]

\[dn_{21}^{‘}=B_{21}n_2 \rho_v dt \,\,(受激辐射)\]

\[dn_{12}=B_{12}n_1 \rho_v dt \,\,(受激吸收)\]

三个爱因斯坦系数的关系：

\[\frac{A_{21}}{B_{21}}=\frac{8\pi h \nu^3}{c^3}\]

\[B_{12}g_1=B_{21}g_2\]

粒子数反转分布状态: $\frac{dn_{21}^{‘}}{dn_{12}}\frac{g_1n_2}{g_2n_1}>1$, 受激辐射大于自发辐射,打破波尔兹曼分布。此时可称“得到增益”

而普通情况下，受激辐射/自发辐射较小（计算参看讲义）。

总结：产生激光的基本条件是“粒子数反转分布和增大一方向上的光能密度”

激光器的基本结构：

工作物质：激活介质/粒子数反转/上能级为亚稳态

激励装置：能源/光/电

谐振腔：反馈/光强/模式

三能级系统：亚稳态寿命长，阈值高，转换效率低。如红宝石激光器

四能级系统：阈值低，连续运转，大功率。如He-Ne

激光器的优点：

1.相干性好：受激辐射的光具有相干性，相干长度$L_c=\frac{\lambda^2}{\Delta \lambda}$，相干时间$\tau=\frac{L_c}{c}$

2.方向性好：谐振腔

3.单色性好

4.亮度高：受激辐射的光强大