光源特性测试实验.doc

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1、激光器一般知识及工作原理
激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放大而产生激光振荡的。激光,其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。
激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。尽管实际原子的能级是非常复杂的,但与产生激光直接相关的主要是两个能级,设Eu表示较高能级,El表示较低能级。原子能在高低能级间跃迁,在没有外界影响时,原子可自发的从高能级跃迁到低能级,并伴随辐射一个频率为
(式1)
的光子,这过程称自发辐射。
若有能量为的光子作用于原子,会产生两个过程:一是原子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级,同时在低能级产生一个空穴,称为受激跃迁或受激吸收,此激发光子消失;二是原子在激发光子的刺激下,从高能级跃迁到低能级,并伴随辐射一个频率
(式2)
的光子,这过程称受激辐射。
受激辐射激发光子不消失,而产生新光子,光子增加,而且产生的新光子与激发光子具有相同的频率、相位和偏振态,并沿相同的方向传播,具有很好的相干性,这正是我们所需要的。
受激辐射和受激吸收总是同时存在的,如果受激吸收超过受激辐射,则光子数的减少多于增加,总的效果是入射光被衰减;反之,如果受激辐射超过受激吸收,则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。所以原子的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。
实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收,光在工作介质中得到放大,产生激光,但工作介质的增益都不足够大,若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光,就需要很长的工作物质,实际上这是十分困难,甚至是不可能的。于是就想到了用光学谐振腔进行光放大。所谓光学谐振腔,实际上是在激光器两端,面对面地装两块反射镜,如下图所示:
图a 光学谐振腔结构图
一块几乎全反射,一块为部分反射,激光可透过部分反射镜射出。被反射回到工作介质的光,可在工作介质中多次往返,设往返次数为m,则有效长度为:
(m=1,2,3,4…) (式3)
L为工作介质的的实际长度。
由于谐振腔内工作介质存在吸收,反射镜存在透射和散射,而且只有沿轴线方向的光才被放大,因此光受到一定损耗,当增益和损耗相当时,在谐振腔内建立起稳定的激光振荡。即一个激光器,m有一个确定的值。
谐振腔的另一个作用是选模,光在谐振腔内反射时,反射波将和入射波发生干涉,为了能在腔内形成稳定的振荡,必须满足相干相长的条件,也就是沿腔的纵向(轴线方向)形成驻波的条件,这条件是:
或(式4)
式中,为波长,n是工作介质的折射率,q=1,2,3,4,…,为某一整数,为驻波波幅的个数,它表征了腔内纵向光场的分布,称为激光的纵模,q=1称单纵模激光器,q≥2称多纵模激光器。每个驻波的频率是不一样的,第q个驻波的频率由:
(式5)
,为光速。
以上两式都说明,虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带,两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波,但只有符合激光振荡的相位条件的那些波长存在,不符合激光振荡的相