principles of lasers激光原理第七章 速率方程
激光原理-4.2 典型激光器的速率方程

f2 f1
B21
在辐射场 的作用下的总受激跃迁几率 W21 中,
分配在频率 处单位频带内的受激跃迁几率为:
W21 B21 B21 g% ,0
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4、公式的修正
dn21 dt
sp
n2 A21
d
n2 A21g% , 0
d n2 A21
' '
'
此时有: '
激光器中的情形即 是如此!
0 '
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g%
',
0
'
d
'
中的被积函数
只在辐射场中心频率 附近很窄范围内才不为零。
g% ',0 g% ,0
' ' 且:
因 ' 很小,则有:
'
0
' '
'
d
' 1
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物理意义: 由于谱线加宽, 外来光的频率 并不 一定要精确等于原子发光的中心频率 0 才能产生 受激跃迁,而是主要在=0 附近的一个频率范围内 都能产生受激辐射。当ν偏离中心频率ν0时,跃 迁几率急剧下降。
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6、受激辐射、受激吸收几率的其它表达形式
W21
B21 g% ,0
—吸收截面
中心频率处发射截面和吸收截面最大!
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均匀加宽工作物质中心频率发射截面
21 0
A21 2
4
2
2 0
H
非均匀加宽工作物质中心频率发射截面
激光原理公式推导过程

激光原理公式推导过程1.概念和背景知识激光,全称为“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”,即通过受激辐射放大光线。
它是一种具有特殊属性的电磁辐射,与其他光波相比,具有高度单色性、相干性和方向性。
2.光的放大过程在激光器中,最基本的过程是光的放大。
这个过程涉及到两个基本的光激辐射的原理:2.1受激辐射:根据爱因斯坦的理论,当一个光子与一个处于激发态的原子碰撞时,它会刺激该原子从激发态向基态发射一个光子,这个发射出去的光子与入射光子具有相同的相位、频率和方向,这个过程被称为受激辐射。
2.2自然辐射:与受激辐射不同的是,自然辐射是由于原子激发态的自发降解而产生的不同频率和相位的光子。
3.驻波谐振腔在激光器中,为了增强与受激辐射相关的过程,使用了驻波谐振腔。
这里简要介绍一下驻波谐振腔的工作原理:3.1 谐振腔中的傅立叶级数(Fourier series):谐振腔内的光可以被表示为一系列的傅立叶级数,每层傅立叶级数都与谐振腔内的电场模式相对应。
3.2形成驻波:在谐振腔的两端设置光反射镜,光根据反射与穿透的规律,在谐振腔内形成多次反射,从而形成了驻波。
4.激光原理公式的推导在激光器中,放大实际上是通过将辐射光放入一个放大介质进行的。
该放大介质可以是激光材料(如固体、气体、半导体等)。
放大的关键是要维持受激辐射的过程。
4.1波的传输:输入到激光器的光波会在谐振腔中产生驻波,并通过放大介质传播。
4.2能级结构:放大介质中的原子或分子具有特定的能级结构。
当这些原子或分子受到光的激发时,它们可以通过受激辐射过程,传输能量给光子。
4.3放大的条件:为了维持放大过程,需要满足一定的条件,其中最重要的条件是激光光子在光的路径中的受激辐射几率高于自然辐射几率。
4.4受激辐射速率:受激辐射速率正比于受激辐射概率和激发态粒子数。
用与受激辐射速率相反的术语描述自然辐射速率。
激光原理 典型激光器速率方程

dn2
dt
l
(n2
f2 f1
n1) 21( l , 0 )Nl
n2 (S21
A21 )
n3S32
由于每个模式的频率、损耗、g~(l ,0) 值不同,
必须建立m个光子数密度速率方程,其中第l个 模的光子数密度速率方程为
dNl dt
(n2
f2 f1
n1) 21( l , 0 ) Nl
Nl
Rl
21
(n2
f2 f1
n1) 21( l , 0 ) Nl
R1、R2为单位体积中,在单位时间内激励至E1 、E2能级的粒子数(激励速率);1、2为E1 、E2能级的寿命; 21为E2能级由于至E1能级 跃迁造成的有限寿命。
6 多模振荡速率方程
如果激光器中有m个振荡模,其中第l个模的频 率则、E2能光级子的数粒密子度数、密光度子速寿率命方分程别为为l、Nl及Rl 。
Nl
Rl
四能级系统速率方程组
dn3 dt
n0W03
n3 (S32
A30 )
dn2 dt
(n2
f2 f1
n1) 21( l , 0 ) Nl
n2 (S21 A21) n3S32
dn0 dt
n1S10
n0W03
n3 A30
n0 n1 n2 n3 n
dNl dt
(n2
思路小结:
爱因斯坦采用唯象法得到光和物质相互作用 的关系式
考虑线型函数后必要的修正:几率按频率的 分布函数
原子和准单色光相互作用 单模振荡速率方程组(三能级系统和四能级
系统) 多模振荡速率方程组
end
(n2
f2 f1
n1) 21N
激光原理课件

吸收跃迁: 低 吸收能量 高 辐射跃迁: 高 辐射能量 低
(自发辐射)
h E1 E2
3. 受激辐射:
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现,若只有自发辐射和吸收跃迁, 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡,要达 到热平衡,还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源(白炽灯、日光灯、高压水银灯)的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立,频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率(自发跃迁爱因斯坦系数): 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关,与辐射场无关
爱因斯坦——1917年,提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式:
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体:能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态:
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
:
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说:
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论:
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时,受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下,高能级上原子数少于低能级上原子数,故 正常情况下,吸收比发射更频繁,其差额由自发辐射补偿。
Fundamentals of Lasers 激光原理基础

Fundamentals of Lasers1.1The Nature of LightIn order to understand how a laser works it will be useful to激光原理基础1.1自然光为了明白一束激光是怎样的工作的这有助于我们阐述目前有关自然光是怎样产生的。
在人类所有的理解能力中想象力无疑是最重要的。
想象力和日升日落的关系可能是人类第一次的科学论述。
Greeks最可能是第一个尝试解释想象力的产生以及由它所引起的有关管自然光的推测。
他们有两部分支持的理论:首先眼睛通过触觉感知到物体这就是所谓的“视觉”。
然后物体本身发射某种物质,这种物质被眼睛搜集形成某种知觉。
这些理论被称作接受发射理论。
17世纪随着试验科学的到来,导致了对视觉理论的放弃,而发射学说却通过其支持者各自的努力得到发展。
这两个发射理论分别是Isaac Newton的微粒学说和Robert Hooke和Chirstian Huygens的波动学说。
甚至在那个时期相当大的试验数据被证实是可能的。
先辈已经教会我们反射和折射。
干涉(尽管直到19世纪早期才有Thomas Y oung)在1665年被Hooke 和Robert Boyle独立的观察并不正式的命名为牛顿环。
同年衍射被Grimaldi观测出来。
4年之后Bartholinus在方解石中发现了双折射。
波动理论最初通过Hooke在一原始的结构上建立,然后通过Huygens的到发展和提炼,波动理论通过折射,反射,双折射得到很好的说明,稍后Huygens断言通过某种方式光会在不同的方向发生偏振。
Huygens把他的解释建立在一个普遍的的规律上,在每束光的前点会表现为二次球面光并通过某种媒介传输,这种媒介称为以太。
此时横波必学在正确的的角度才能在振动方向传播,这种形式在水波中非常常见。
当然也类似于声波那样的纵波。
波在这种方式下其振动方向必须于传播方向一致。
《激光原理与技术》课程教学大纲

《激光原理与技术》课程教学大纲课程名称:激光原理与技术英文名称:Principles and Technology of Lasers学分:3 总学时:48 理论学时:48 实验(上机)学时:0适用专业:光信息科学与技术专业一、课程的性质、目的本课程是光信息科学专业的重要基础课,激光物理与激光技术基础已经成为现代科学研究、工业、农业、军事。
尤其是光信息应用技术部门的重要内容,是新技术应用的重要基础。
因此,掌握激光原理与激光技术是为从事现代科学研究,开拓新的光信息科学内容打下基础。
二、教学基本要求通过教学过程的实施使学生基本掌握激光形成原理,掌握激光器件的各部件的工作原理,掌握主要的激光技术的基本原理和实施方法。
了解各种激光器件和技术的新进展,培养学生利用专业知识分析问题和解决实际问题的能力,教给学生自己不断获取新知识的方法。
三、课程教学基本内容1.Introductory concepts(本章要求掌握)51.1. Spontaneous and Stimulated Emission, Absorption1.2. The Laser Idea1.3. Pumping Schemes1.4. Properties of Laser Beams1.5. Laser Types2.Interaction of radiation with atoms and ions(本章前三节要求掌握)42.3. Spontaneous Emission2.4. Absorption and Stimulated Emission2.5. Line-Broadening Mechanisms2.6. Nonradiative Decay and Energy Transfer3.Energy levels, radiative, and nonradiative transitions in molecules and semiconductors (本章要求理解)63.1. Molecules3.2. Bulk Semiconductors3.3. Semiconductor Quantum Wells3.4. Quantum Wires and Quantum Dots4.Ray and wave propagation through optical media(本章要求熟练掌握)64.2. Matrix Formulation of Geometric Optics4.5. Fabry-Perot Interferometer4.7. Gaussian Beams5.Passive optical resonators(本章前四节要求掌握)65.2. Eigenmodes and Eigenvalues5.3. Photon Lifetime and Cavity Q5.4. Stability Condition5.5. Stable Resonators5.6. Unstable Resonators7. Continuous wave laser behavior(本章第8节要求掌握其他理解)67.2. Rate Equations7.6. Laser Tuning7.7. Reasons for Multimode Oscillation7.8. Single-Mode Selection7.9. Frequency Pulling and Limit to Monochromaticity7.10. Laser Frequency Fluctuations and Frequency Stabilization8.Transient laser behavior(本章第4、5、6节要求掌握)68.2. Relaxation Oscillations8.4. Q-Switching8.5. Gain Switching8.6. Mode Locking9.Solid-state, dye and semiconductor lasers(本章要求了解)39.2. Solid-State Lasers9.3. Dye Lasers9.4. Semiconductor Lasers10.Gas, chemical, free-electron, and X-ray lasers(本章要求了解)310.2.Gas Lasers11.Applications of Lasers(附加内容,要求了解)3四、课程考核方式本课程为考试课。
激光原理-4.2 典型激光器的速率方程

太原理工大学物理与光电工程学院
1、三能级系统的能级跃迁特点和跃迁示意图
W13
A31
S31
E3 泵浦上能级
S32(热弛豫)
E2
激光上能级 (亚稳态)
A21
S21
W21
W12
S31, A31 S32; S31 A31
E1(激泵光浦下下能能级级)
S21 A21
太原理工大学物理与光电工程学院
F
太原理工大学物理与光电工程学院
思考:分别求洛仑兹线型和高斯线型下简
化线型函数对应的等效谱宽 。
21 , 0
A21 2
8
h
2 0
g% ,0
21 l , 0 Nl 21 Nl 21 N
l
l
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根据简化模型, 四能级多模速率方程
dn3 dt
n0W03
' '
'
此时有: '
激光器中的情形即 是如此!
0 '
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g%
',
0
'
d
'
中的被积函数
只在辐射场中心频率 附近很窄范围内才不为零。
g% ',0 g% ,0
' ' 且:
因 ' 很小,则有:
'
0
' '
'
d
' 1
太原理工大学物理与光电工程学院
n2
f2 f1
n1
21
,
0
Nl
R1,R2为单位体积中,在单位时间内激励至 E1,E2能级的粒子数;τ1,τ2为E1, E2能级的寿命; τ21为E2能级由于至E1能级的跃迁造成的有限寿命。
国外激光原理经典教材评介与利用研究——以《Lasers》《Laser Fundamentals》《Principles of Lasers》

其 是 那 些 科 学 技 术 、 济 较 发 达 国 家 的 教 材 建 设 状 经
况。欧美 等发 达 国家 高校 的教 材经过数 十年发 展与 建设 , 无论在教 材体 系、 学 内容 、 学方 法 等 方 面 教 教 都形成 了各 自的优 势和特色 。其经验对 于我们 这样
一
Sem n 教授 。该书 18 i a) g 9 6年 由英 国牛 津大学 出版社 出版 ,2 3页 , 18 为美 国的大学 科学丛 书 。 Sem n教 授 15 i a g 9 2年 获 得 哈 佛 大 学 的 学 士 学 位 ,9 4年 获得美 国加 州大 学 洛杉矶 分 校 的应 用 物 15 理学硕 士学 位 ,9 7年 获得 斯 坦福 大学 的 电子工 程 15 学博 士学 位。从那 时起 ,i m n教授 在斯 坦福 大学 Se a g
m n 授 18 a教 9 6年撰写 的( ae ) 美国佛 罗里达 中 央 < sr) L s;
大 学 Wii .S f s 授 20 la T iv t教 lm la 0 4年 撰 写 的 《 ae Lsr
其 模式 和激 光光束 的传播上 。
《 aes一书 , 出现 较早 的全 面 阐述 激 光原 理 L sr 》 是
第2 8卷
第 17期 2
高 校 图 书 馆 工 作
20 0 8年 第 5期
材评介与利用研究
— —
以《 a r 《 ae Fna et s《 r c l f a r 评 介为例 Ls s Ls udm n l Pi i e o Ls s e》 r a》 np s e >
《 ae 》 一 本 物 理 学 领 域 的 著 作 。 其 作 者 是 Lsr 是 s 美 国 斯 坦 福 大 学 的 安 东 尼 ・ 西 格 曼 ( nhn . E・ A toyE
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2
sp
Below and above the threshold
N2 NP
Rst
167
Rp RPth RP RPth RP
Carrier reservoir Rsp
Below the threshold
N 2 R p sp N P = R p p
gth 1 vg p Nth N 2th 1 vg p
2 1
Ignore the spon. emission
dN P N =vg gN P P dt p 1 N p (t ) N p (0) exp v g g t p
Three-level lasers: fiber lasers like Er (铒1550 nm), Yb (镱1030 nm) , Ho (钬2000 nm) , Tm (铥2000 nm) doped fiber lasers
Four-level laser
Assumptions: The carrier density (population) is uniform inside the gain medium The photon density (electric field) is uniform inside the cavity The light volume is the same as the gain medium volume Only one mode oscillates in the cavity Then, the rate equation is space independent. The lifetimes of level 3 and level 1 is very fast
The rate equations g d N g 2 1 g 1 R p 1 2 vg gN P N 2 Nt dt g1 g1 sp g1 dN P N 1 g2 vg gN P P N Nt dt p sp g1
g dN d N d g N 2 2 N1 1 2 2 dt dt g1 g1 dt
g2 N2 1 1 g2 g2 1 N N N N Nt t 1 2 g g g 1 sp sp 1 sp 1
1 1 vg m vg ln m 2 L R1R2 If R1 =R 2 1 vg 1 1 ln L R 1
The total output power from the two mirrors is
Pout
E
m
N P hV p vg m
Examples 7.1
fast pump fast
The rate equations dN 2 N R p W N 2 N1 2 dt sp dN P N N W N 2 N1 P 2 dt p sp N3 0 N1 0 N g const
159
Gain clamping:
Above the threshold, the gain does not increase with the pump rate, but remains the same as that at the threshold. (carrier population clamping) The photon density increases linearly with The rate equations dN =0 dN N the pump rate. R v gN dt dt dN N N N 2th The threshold pump rate is (Np>=0) =v gN N P = p R p dt N 2th 1 sp Rpth sp vg p sp
N3
N2
W N 2 N1 =W N = FN N P vg N N P vg N 2 vg gN P
N1 Ng
The rate equations dN 2 N2 R p vg gN P dt sp dN P NP N2 vg gN P dt p sp
165
The steady-state solutions are N 2 R p sp
N P = R p p
N2
NP
Both the carrier density and
the photon density increase
RP
The rate equations dN 2 N R p vg gN P 2 dt sp dN P N N =v g gN P P 2 dt p sp
gain coefficient g N
Photon lifetime
p
1 vgT
The output power
The energy inside the cavity
161
E N P hVp
The energy output (loss) rate of the two mirrors
gain coefficient
g g N = N 2 2 N1 g1
Chapter 7_L15
163
Lasing threshold and power
Four-level laser
Three-level laser
Four-level laser
At the threshold
v g gth N 2th R pth 1
Hale Waihona Puke Above the threshold
N 2 N 2th N P = p R p R pth
R2
R1 L
Round-trip time
Lo t 2 c
Loss coefficient
1 1 T i ln 2 L R1R2
Some relations
Photon flux (cm -2s -1 ) F=vg N P Energy density (J/cm3 ) N P h Light intensity(mW/cm 2 ) I vg N P h Fh vg
is small), and there is only spontaneous emission, then the rate equations become Under steady-state condition dN 2 N2 Rp dt sp dN 2 dN P 0; =0 dt dt dN P NP N2 = dt p sp
fast pump fast N1 Ng
158 N3
N2
The laser emission occurs at level 3 level 2
The population inversion N N 2 The gain g N N 2
N3 0,N1 0
Four-level laser
The rate equations dN 2 N R p vg gN P 2 dt sp dN P N N =v g gN P P 2 dt p sp
Below the threshold
Below the threshold, the stimulated emission is negligible (photon number
sp
N2
is small, and is negligible in most
discussions.
Rp is the pump rate is the spontaneous emission factor
Four-level laser
l
160
Optical length
Lo L l nrl
All the sublevels are strongly coupled and hence in thermal equilibrium.
N1
The rate equations dN 2 N R p v g gN P 2 dt sp dN P N N v g gN P P 2 dt p sp N1 N t N 2 N3 0
The carrier lifetime
1
164
To achieve lasing,
N p (t ) N p (0) vg g 1
sp nr Condition for possible continuous-wave lasing
1
1
p
Thus, the lasing threshold is
Four-level lasers: Ionic crystal lasers like Nd3+:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet 掺钕 钇铝石榴石 1064 nm); Gas lasers like CO2 (10.6 um), He-Ne (632.5 nm)
m
(Quasi-) three-level laser
fast pump
162
N3
N2
In a (quasi-) three-level laser, the lower laser level is the ground level, or a sub-level of the ground level.