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激光原理总结

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

 

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