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1、一、原子在能级上的统计分布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玻耳兹曼 统计分布：EnE2E1,则两能级上的原子数目之比-23k=1.3806488(13) 10 J/K为玻尔兹曼常数。若E E2与-2=一丁：1Ei对于氢原子，En与n2成反比，在常温下（T = 300K）,处在第一激发态的氢原子数与处在 基态的原子数比约为 e-395 （ 10-171）,几乎所有电子都处于基态上。二、自发辐射、受激辐射和受激吸收原子吸收光子后可发生两种过程：从低能态跃迁到高能态（受激吸收），也可从高能态跃迁到低能态（受激辐射）。原子还可自发从高能态跃迁到低能态而发光（自发
2、辐射） 。1、自 发辐射 （spontaneous radiation）马-* t ： 与八I nv aaaaj*Ei 介-a-E-设N1、用为处于Ev E2能级的原子数，单位时间内从E2-E1自发辐射的原子数应与初始原子数成正比I dt 4发=A21N 2A21称为爱因斯坦自发发射系数，是单个原子在单位时间内发生自发辐射概率。 辐射的光是独立的、无关的非相干光。2、受激辐射（stimulated radiation ）当频率为n =旦二E1的外来光入射时，会引起高能态的原子跃迁到低能态。 h各原子自发.hv AAAAIAAAA/* /r v /wuv*单位体积中单位时间内，从 E2-E1受激
3、辐射的原子数为dN21W21N2受激辐射光是与外来光的频率、偏I dt 受激辐射W21为单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。）,有光放大作用。振方向、相位及传播方向均相同的相干光（称为“全同光子”3、受激吸收（stimulated absorption ）当频率为n = E2 - E1的外来光入射时,会引起低能态原子跃迁到高能态。 h单位体积中单位时间内因吸收外来光而从e2E1-E2的原子数为当 =MNiN2,所以dNi2姐I dt 上激吸收I dt J受激辐射宏观上表现为对光的吸收，达不到对光的放大目的。如果原子的分布是 N2Ni,称为粒子数分布反转，则dN12四I dt表激吸收I
4、dt J受激辐射受激辐射占主导地位， 宏观上表现为辐射， 可实现光的放大。处于粒子数反转分布的介质称 为激活介质，它正是激光器的工作物质。四、激光器的工作原理0、激光概述普通光源（蜡烛、太阳、白炽灯等）的光是自发辐射的，激光光源的光是受激发而辐射 的。激光的特点：（1）方向性好（发散角约 10-4 rad）; 单色性好（ 1侬10-8?）; （3） 强度大（脉冲瞬时功率可达 1014W,理论上无上限）。激光器的种类：固体（如红宝石Al 2O3）激光器、气体（如 He-Ne、CO2）激光器、半导体激光器（激光二极管）、液体（如某些染料）等。1、激光器的结构一台激光器主要由三部分组成：工作物质、光
5、学谐振腔和激励能源。光学谐振腔;两严格 平行的反射镜构成工作物质全反射镜部分反射镜2、工作物质粒子数反转的实现不同种类的激光器实现激活介质粒子数反转分布方式不同。对于He-Ne气体激光器，主要是利用He原子的亚稳态实现的(一般原子激发态的寿命10-8s,但也有些激发态的寿命长达10-3s甚至长达1s,称这种长寿命的激发态为亚稳态)。假设原子只有三个能级Ei、E2和E3, E2为亚稳态。实际工作物质原子能级结构要复杂的多，可能存在几对能级之间的粒子数分布反转，相应有发射几种波长的激光。例如，氨速激光器可以发射0.6328 口、1.15 g、3.39 g等波长的激光。3、光学谐振腔(optical
6、 harmonic oscillator )的作用(1)谐振腔的定向作用若无谐振腔，激活介质初始自发辐射的光是传播方向各向同性的非相干光。谐振腔抑制了传播方向与轴线不平行的光，放大了沿轴线方向传播的光。(2)谐振腔的选频作用7(图示为氢速激光器 Ne原子的0.6328 g受激辐射光的谱线自然展宽示意图，自然宽度Wj 达 A 113 M09Hz o通过调节谐振腔的作用还可对沿轴向传播的光进一步选频，只让某几种满足共振条件的单色光得到放大，共振条件就是如下驻波条件K2nLnL = K=K =K =1,2,3,2Kn为谐振腔内媒质的折射率，及为真空中的波长。因此，在光学谐振腔内只有某些确定波长的光才
7、能形成稳定的驻波一一波长与腔的纵向长度有关一一这样的每一个振动模式称为一个“纵模”。可以存在的纵模频率为相邻两个纵模频率的间隔为利用加大纵模频率间隔的方法,c2nL可以使得在指定频率区间A V中只存在一个纵模频率，最后使激光具有极好的单色性。（3）谐振腔内布儒斯特窗口的作用在气体激光器中，由于谐振腔的结构不同可分为内腔式和外腔式激光器。内腔式激光器两个端面上的反射镜是放电管的一部分。其结构简单，但由于谐振腔长度不可调节，产生激光的频率是固定的，而且是非偏振的。阳极100%反射镜阴极z外腔式激光器的两个反射镜安放在放电管的外侧。其优点是谐振腔长度可调节。 但因为增加了两个放电管的封口， 会增加激光器的反射损耗。 但若每个封口倾斜角正好等于布儒斯 特角时，两个封口对于偏振方向平行于入射面的光是透明的，减少了反射损耗，这种偏振光可被放大而形成激光。然面展射镜 阴极 放电管 阳极 球面反射镜18%反射）（98%反射）
