丘志仁《激光原理与技术》第三章3.1--3-5： 激光放大器与振荡器3.1 受激跃迁产生的吸收与.pdf

第三章： 激光放大器与振荡器 §3.1 受激跃迁产生的吸收与 放大---粒子布居数反转 ? 辐射能量交换的三个基本过程 ? 产生激光的机理与两个过程有关。 1、受激吸收产生的能量密度的减少 ? d?(? , z) ? ? ? ?( , z)g(? ) h? ? ? N1 ? 1 B12 ? dt ?吸收 d?(?,z) g ? ? ?(? , z)g(? ) 2 h? ( ) N 1 B21 dt 吸收 g1 g(v) :谱线轮廓因子 ?（v, z）: 辐射能量密度 ? 谱线轮廓为自然轮廓时, g(v)的形式为： 2 1 g(? ) ? g(? ,v) ? 0 N ?? ? ? ? N 1? ( ? 0 )2 ? 2 ? N ? 当谱线轮廓为热运动增宽轮廓时，g(v)的 形式为(H=N（自然加宽）, L(碰撞加宽)) 2 1 g(? ) ? g( ,? ) ? . ? 0 H ?? ? ? ? H 1? ( ? 0 )2 ? ? H 2 2、受激发射产生的能量密度的增大（从 ψ2态到ψ1态的过渡）为： d?(?,z) ? ? ?(? , z)g(? ) hv ( ) N 2 B21 dt 受激发射 3、两个过程总和 d?(?, z) d?(?,z) d?(?,z) （? ） ?（ ） dt dt 吸收 dt 受激发射 g ? ?( 2 ? )?(?, z) h? N1 N 2 B21 g1 dz ? c0 dt ? cdt ? d?(? , z) ? ?( ? )?(? , z)g(? ) h? 0 dz N1 N 2 B21 c d?(?, z) h ? ? ( ? )g(? ) ? 0 dz ? ?(?, z) ? N1 N 2 B21 c h ? 0 ?? (v)z ?(? , z) ? ? (? )exp[?( ? )g(? ) z ? ?0 (v)e 0 N 1 N 2 B21 c hv 其中?（v）? (N ? N )g(v)B 吸收系数 1 2 21 c ? ρ0（υ）=ρ（υ，0），是入射辐射开始 时的数值 I(? ) ? (? )exp[??(? )z] I 0 （1）N1N2 热平衡状态 粒子布居按玻尔兹曼分布律 受激吸收过程占优α（ν）0 正吸收，ρ（ν，z）衰减 （2） N1N2 非平衡状态，布局数反转 α（ν）0 负吸收，ρ（ν，z）放大 增益大于损耗： 激光放大和振荡产生的先决条件之一 （3） N1=N2 非热平衡 α（ν）=0 ，透明介质 §3.2 产生粒子数反转的 几种量子系统 ? 问题：什么物质可以容易产生激光？ ? 量子系统 :构成物质的大量粒子（原子、