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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
激光原理总结