典型激光器

(1) 刚刚能使红宝石激光器形成激光振荡的储能电容器 的能量叫红宝石激光器的能量阈值。 (2) 能使激光器形成激光振荡的增益系数叫增益系数的 阈值（增益系数即单位长度介质放大倍数）。 11. 当电容的电压下降到不能维持氙灯点燃时，离子的抽 运停止了，激光发射也就终止了。
2.1红宝石激光器
第2章 典型激光器
二、工作过程
P
3. 完成1和2后，在P点加－3V～10V电压，可控硅即导 电导通。C1 通过可控硅、T的初级放电形成电流。在变 ' ' C C 、 上充电。其通路为：100V电压源→ 压器的次级感生出上万伏高压，高压便氙灯上的氙原 C 12 、打开高压直线电源，直流电源将向储能电容 4. 椭圆聚光镜（腔）把氙灯光汇聚到红宝石棒 1 '2 子电离，从绝缘体变成导体，储能电容 C 内储存的数 C v C 充电。 中储能： 。电容中的电荷不可能 C 1 F 上。 → T 的初级→地 2 。 千焦耳的能量流过氙灯。此时氙灯仅有不足1Ω的电阻。 从氙灯上流过，因为氙灯的着火电压有上万伏。这 数千伏电压产生数千安的电流。氙灯光比照相机闪光 时高压便加在氙灯两端，氙灯并不放电发光。 灯亮得多。
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Cr 3 离子跃迁到高能级上后，不能久留（即能级寿命短）；
10-9秒左右的时间即离开 E3 。往哪里去，仍能回到基态 ？ E1 E2 不，绝大多数将跃迁到另一能级 上。 E 2 是个亚稳态 （即稳定程度仅次于稳态的原子能级状态）。 离子在这 Cr 3 6倍。 E E2 个态上存留的时间是3×10-3秒，比 长 10 是个好 3 3 3 Cr 地方， Cr 离子在这里不走了。 离子从 E3 E 的过程 2 必须放出能量 E3 E 2 ，这部分能量是通过碰撞方式传给红 宝石晶体的，使晶体变热，红宝石粒子这种跃迁过程不发 出光子，叫无辐射跃迁。
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6. 到此，让我们别忘了，氙灯仍然在放光，所以大量的离 子吸收氙灯光子从基态 E1 跃迁到 E3 ，又迅速地从 E3 跃 迁到 E 2 ，到了 E 2 就停下来，使大量的 Cr 3离子源源不断 地被“抽运”到 E 2 （或被泵浦到 E 2）。氙灯的作用就象 是一个泵，但这不是水泵，而是光泵，所以把氙灯又叫光 泵（Light pumps）。 7. 设想一个光子（能量＝ E2 E1 ）进入红宝石并和 Cr 3 离子碰撞，在碰撞中可能发生两种情况： (1) 如果所碰到的 Cr 3 离子在基态， Cr 3 离子将光子吸收跃 迁到高能态 E 2 ，这叫受激吸收。
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8. 光泵发出的光越强，可在很短的时间内把大量 Cr 3离子 E3 ），从而实现粒子数反 从基态 E1 抽运到亚稳态 E（经 2 转，E 2 的能级寿命越长，越容易实现粒子布局数反转。
9. 一些上的粒子因自发辐射辐射出694.3nm的光子，这些 光子中总有一些是沿红宝石轴向的光被红宝石放大、又被 反射镜来回反射，反复放大，光强越来越强，这就是激光。 两反射镜的作用相当于电子振荡线路中的反馈回路。一切 激光器都要有光的反馈光路，也就是说一切激光器都必须 有一个谐振腔（有两片反射镜）。
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一、结构％（称为半反 C L 的反射率是 100％， 是个氙灯（石英管内是氙气），可以通过数百安上千安 1 是一高压电容，作用是放电时为氙灯提供大电流，因它 T K 是一小变压器，变压比数百至上千，次级绕在氙灯上， 是一椭圆反射镜（又称聚光镜），光从一个焦点出来 3 Al2 O3 单晶中掺入 Ruby Cr 射）， 是工作物质红宝石（ ），由 C ( 1 F ) 的电流，发出极强的可被红宝石中 离子吸收的光谱， R 的作用是向氙灯提供能量，所以又叫储能电容，其容量一般 初级和小电容 及可控硅连接，可控硅的触发端控制 一定被反射到另一焦点。 3 3 F Cr Cr 少量三价铬 离子（ 0.05% ）组成 。 氙灯的作用是把电能转化为可被 吸收的光能。 为数百上千 ，耐压数千伏。 什么时候发射激光。
(2) 如果碰到的 Cr 3 离子在激发态， Cr 3 离子发射出和入射 光一样的光子，这就是受激辐射，也就是说光是被吸收还 是激发出一个新光子完全取决于 Cr 3 离子所在的能级。
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从几率的概念看问题。如果高能级 E 2 上的粒子数 N 2小于低 能级 E1上的粒子数 N1 ，则光子被吸收的可能性要大于再激 发出一个新光子的可能性；如果 N 2 N1 ，则很可能再激发出 一个新光子的可能性大于光子被吸收的可能性。定义 N 2 N1 叫粒子数反转（粒子布居数反转），所谓反转是指本来 Cr 3 离子基本都在 E1 上（ N1 N 2），现在 N 2 N1 ，所以叫粒子 分布（布局）反转了。当大量光子进入一个粒子布居数反转 的红宝石时，将有多于半数的光子保存了自己并激发了新光 子，少于半数的光子被吸收，宏观来看光被放大了，这就是 光放大。红宝石能使光放大叫对光有增益。粒子布局数反转 是实现光放大的必要条件之一。
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红宝石中的 Cr 3 能级简图
5. 红宝石棒中的 Cr 3离子将吸收氙灯光中的绿光光 子，把光子的能量变成自己的内能，由基态（能量 3 E3 实际是一个能带（能量范围很大），所以 3 Cr 最低状态）能级跃迁到高能级。红宝石中Cr 的能 离子可吸收氙灯光中一个较宽频带的光子而跃迁 E1 表示，高能 级如下图所示。一般把基态能级用 3 到 E3 E 能级上。 Cr 级用 表示。 从 E1 跃迁到 E3 ，吸收光子的能 2 E3 E1 h 。 量：
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10. 在电子线路中电子振荡器必须满足幅值条件，振荡器 的放大倍数必须大于信号沿反馈回路一周的损失。在激光 器中，这一条件也必须得到满足，叫做：光在沿谐振腔往 返一周所获得的增益，必须大于光在谐振腔中的往返一周 所受的损失。即增益大于损耗。增益由红宝石提供，损耗 主要是由于谐振腔半反射镜漏光引起的。 定义：