量子物理第四章激光(2014.10.23).doc

第28章(续) 激 光 (Laser)
(Light Amplication by Stimulated
Emission of Radiation)
“辐射的受激发射光放大〞

引言
★普通光源一自发辐射
激光光源一受激辐射
★特点：单***极好(Dl～10 - 8 Å)
方向性极好(发散角～10 -4弧度)
强度极高(脉冲功率～10 14 W)

★种类:·按工作物质分
固体(如红宝石Al2O3)
液体(如某些染料)
气体(如He-Ne，CO2)
半导体(如***化镓 GaAs)
　 ·按工作方式分
连续式(功率可达104 W)
脉冲式(瞬时功率可达1014 W )
★波长：极紫外─可见光─亚毫米
(100 n m) ( m m )
★组成·激励能源
·工作物质(含有亚稳态能级)
·光学谐振腔
★物理过程：·粒子数反转
·光放大作用
·谐振腔的作用
§1 粒子数按能级的分布、原子的激发


由大量原子组成的系统，在温度不太低
的平衡态，原子数目按能级的分布服从
T = 常量
o
En
E
N(原子数)
Nn
玻耳兹曼统计分布：
Nn µ e-( )
En
kT




·假设E2 > E 1，那么有
N2
N1
= e- ( ) <1
E2 - E1
kT

·数量级估计：
假设 T～103 K；
那么 kT～×10-20 J ～ eV
而E 2- E 1～1eV
= e-( ) = e-(1/) << 1
N2
N1
E2 - E1
kT

故
但要产生激光必须N2 > N1，称
粒子数反转分布

几种基本方式：




§2 辐射跃迁
有三种：自发辐射、 受激辐射、吸收。

hn
E2
E1
N2
N1
(spontaneous radiation)

t 时刻 能级 E2上 有 N2 个原子
t+dt E2 N2+dN2

dt时间内，E2上原子数的变化
dN2 = -A21N2dt ， (dN2<0)
A21 =
|dN2|
N2dt


A21---爱因斯坦自发辐射系数
单位时间内从E2®E1的原子数
与E2上原子数N2之比。
一个原子单位时间内发生自发辐射的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、无关的
非相干光 。

(dN2/N2) = -A21dt
N2 = N20 exp(-A21 t )
N20：t = 0时E2上的原子数
t
·E2上 的原子有的停留时间长，有的短；
在E2上原子寿命范围：0 ® ¥
在t®t+dt内，有- dN2个原子由E2®E1，
其寿命为 t， 那么平均寿命
t = ò t (-dN2)

= ò 0 t A21N2dt
1
N20
0
N20
1
N20
¥

t =
1
A21
N2代入有
·注意：这和统计人的寿命的方法不同。
原子在某能级的寿命也称作能级寿命。
亚稳态：自发辐射几率很小、寿命很长
的能级。
一