1. 第18章 激光原理
§18.2 产生激光的基本条件
§18.1 自发辐射、受激辐射和受激吸收
§18.3 激光的特点

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激光（laser）
受激辐射光放大
（light amplification by stimulated emisson of radiation)
1960年 T.H.Maiman
A.Javan1961年
红宝石激光器
He-Ne激光器

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此能量转变为原子的热运动能而不产生任何辐射
以发射电磁波的形式释放能量
原子从较高能级 向较低能级 跃迁时要释放出能量2E 1E
无辐射跃迁
辐射跃迁
h
EE 12 −
=ν所辐射的光波频率
§18.1 自发辐射、受激辐射和受激吸收
原子从较高能级 向较低能级 跃迁时2E 1E

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当大量原子构成的原子系统处于热平衡态时，分布在
能级 上的原子数遵从玻耳兹曼分布nE
kT
E
n
n
eN
−
∝
对于给定的系统，在一定温度下
1
12
1
2
<=
−
−
kT
EE
e
N
N
如果 和 为任意两个非简并能级（ ）1E 2E 12 EE >
在热平衡态中高能级上的原子数 总小于低能级上2N
kT
E
eN
2
2
−
∝kT
E
eN
1
1
−
∝
1N的原子数

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1.自发辐射
h
EE 12 −
=ν
亚稳态
s8
10−
s~s 110 3−
2.受激吸收
h
EE 12 −
=ν
dtNANd 22121 =′
爱因斯坦自发辐射系数
dtNBdN 11212 )(νρ=
爱因斯坦受激吸收系数
)(νρ
1N
2N

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3.受激辐射
h
EE 12 −
=ν
受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态
有一个外来的光子入射，使处于激发态的某原子产生
受激辐射
得到了两个特征完全相同的光子
在传播过程中，这两个光子再引起其它原子产生受激
辐射
受激辐射的特点：
dtNBdN 22121 )(νρ=
爱因斯坦受激辐射系数
)(νρ
2N

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只要传播路程足够长，在一个外来的入射光子作用下
就会引起大量原子产生受激辐射，产生大量特征完全
相同的光子
光放大
得到4个特征完全相同的光子，…
当光与原子体系相互
作用时，上述三种过
实际上是同时存在的

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dtNAdtNBdtNB 221221112 )()( += νρνρ
21
2
1
12
21
)(
B
N
N
B
A
T,
−
=νρ
该种粒子具有能级 和 ，并能在两者间产生跃迁1E 2E
处于热平衡态
假定在一温度为 T 的处于热平衡状态的空腔内，充有
大量的某种微观粒子。
空间内一定同时存在频率为 的辐射场h/)EE( 12 −=ν
处于热平衡态时，空腔内的辐射场应有不随时间而变
的稳定分布
即在单位体积内频率为 的光子数应保持不变ν

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2112 BB =
213
3
21
8
B
c
h
A
νπ
=
爱因斯坦关系
1
12
)( 2
3
0
−
=
kT
h
e
c
h
T,M ν
νπ
ν
1
18
)( 3
3
−
=
kT
h
e
c
h
T, ν
νπ
νρ
)(
4
)(0 T,
c
T,M νρν =
1
1
)(
21
1221
21
−
=
kT
h
e
B
BB
A
T, ννρ

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1.粒子数反转
dtNBdN 22121 )(νρ=
dtNBdN 11212 )(νρ=
2112 BB =
dtNNBdNdN ))(( 12211221 −=− νρ
当介质处于热平衡状态时
12 NN < 01221 <− dNdN
受激吸收占优势，总的效果为光的吸收
§18.2 产生激光的基本条件

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12 NN >
要使受激辐射胜过受激吸收而占优势，必须使
01221 >− dNdN 受激辐射占优势，总的效果为光放大（ ）
这种分布称为粒子数反转
E1
E2
粒子数反转

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产生激光的必要条件：实现粒子数反转
能实现粒子数反转的介质 激活介质（增益介质）
从内部讲，这种介质要有合适的能级结构
从外部讲，对此能级结构要有合适的能量输入系统
不是任何介质都能充当激活介质的
要实现粒子数反转
这个过程成为激励（泵浦、抽运）
从外界向介质输入能量，打破热平衡，把处于
低能级 上的原子大量地激发到高能级 上1E 2E
激励的方法：光激励、气体放电激励、化学激励、…

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现在假定，激励过程能够保证，那么需要介质有什么样
的能级结构才能实现粒子数反转？
二能级系统
dt
Nd
dt
dN
dt
dN
dt
dN 2121122
′
−−=
2212112
)( NANNw −−=
)(1212 νρBw =
02
=
dt
dN
2112
12
1
2
Aw
w
N
N
+
=
二能级系统不能实现粒子数反转
2212112
))(( NANNB −−= νρ
抽运速率
达到稳定时

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三能级系统
基态1E 激发态32 EE 、 亚稳态2E

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要实现粒子数反转，必须内有亚稳态，外有激励能源
四能级系统
基态1E
3E 亚稳态
激发态432 EEE 、、
激活介质的作用是提供亚稳态

16. 2.光学谐振腔

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谐振腔长度 ),,,n(nL L321
2
==
λ
谐振腔的作用
（1）维持光振荡，起到光放大作用
（2）使激光产生极好的方向性
（3）使激光的单色性好
3.产生激光的阈值条件

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dz)z(GI)z(dI =
Gz
eI)z(I 0=
GL
eII 01 =
GL
eIRIRI 02122 ==
GLGL
eIReII 2
0223 ==
GL
eIRRIRI 2
021314 ==
GL
eRR
I
I 2
21
0
4
=
12
21 >GL
eRR 04 II >
处的光强0=z
增益系数
的反射系数11 MR →
的反射系数22 MR →
12
21 =GL
eRR 产生激光的阈值条件
相应的增益系数称为阈值增益

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mGG >
阈值增益记为 mG
12
21 >GL
eRR
激光器的种类
按其工作物质的物性来分
气体激光器、固体激光器、液体激光器、
半导体激光器、…
按激光器的工作方式来分
连续波激光器、脉冲式激光器、波长可
调谐激光器、…
……

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2.单色性好
3.相干性好
1.能量高度集中
§18.3 激光的特点