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1-5激光器的泵浦轍出功率和光束特性 为使激光物质达到反转分布状态,必须采取某种手段将能量 灌输到激光物质内邯,使该物质的原子或分子医到高能级。这样 的手段,和把水从低处提升到高处相似所以叫做泵浦。 气体激光器的泵浦是通过加高电压于低气压充气的放电管, 使之放电而实现的。固体激光器的泵浦是利用光的照射即所谓光 泵。气体激光器中间,极个别的也采用光泵。半导体激光器的泵 浦,有的是在pn结上通过正向大电流(电流泵浦),有的是用电子 束照射半导体元件,有的是光泵。 振荡方式有脉冲方式和振荡强度保持不变的连续方式(CW) 两种。 从大部分用途来说,都非常希望能有大的输出功率。脉冲振 荡的输出功率和连续振荡的输 出功率,表示方法不一样。脉 冲振荡通常以瓦表示峥值功 率,有时以焦耳(瓦秒)表示在 个脉冲内所含的能量;连续 振荡功率以亳瓦、瓦或千瓦表 示。图1.22示出几种主要的 气体激光器的输出功率逐年增 大的情况,可以看出,随着新激 光器的出现,输出功率飞跃地 1941195219631961965L°6197198 增大 图122气体激光器的输出功率 与年俱增 如前所述,激光束具有许 多不同于以往的光源的光的特性,重述一下则有 (1)相于性好(2)单色性好(3)指向性好(4)强度大等。 严格地说,这些特性并不是互相独立而是互相关联的。激光 的这些特性使非常多的应用部门成为可能,有的已进人实用阶段, 有的还在试验阶段,有的刚被提出。这里简单地介绍这些特性与 16
各应用部门之间的关系(表11)。 器提您 1.1激光束的特性和应用邮门 应用部激光特性相干性单色性 使用的激 指向性大强度光器种类 长度的精密测量 0 气体 旋转角速度的测量 气体 激光露达 固体 激光通讯 气体 全息限相 气体 激光显示器 0 气体 等离子体的产生 固体 等高于体测试 气体 发光分光分折 固体 喇曼分光 高分辨率分光 0000 气体 气体 散射光的测试 气体 非线性光学效应 高次谦波的产生 光参量振荡 0 固体,气体 受微喇曼效应 受激布里渊效应 医学应用 固体,气体 加工、潭接、熔解 团体,气体 测量上的应用 气体 应用部大致可分成物理、化学、医学及工程几个方面。非线 性光学是在激光器出现之后才被实现并急速发展的部门,不但在 学术上很重要,而且在应用上特别是光变频等可望很大的进展。 在通讯方面的应用,和波长较长的电波相比,激光具有指向性 好,光束细,有可能完成大容量传输等重要优点。然而激光束直接 在大气中传播,极容易受到空气紊流,雾、雨、雪等气象条件的干 扰,所以促进了特殊传输方法的研究,同时还需要以激光束为载 波,加信号进行调制和解调。激光束的调制和解调,作为传输的问 题以外的单独问题,广泛地被研究,已得到很多成果。激光通讯问 题的关键可以说在于传翰(第五部分) 17
器提您 使用本复制M 请尊重相关知识产权! 第二 激北器原理 本章介绍各种激光器共同的基本原理以及光谐振器,振荡条 件振荡光的各种特性等一般理论。 2-1反轉分布,負溫度 通常光通过某种物质时,或多或少有一部分被吸收,光强减 弱。此外,还有由于表面反射或散射引起的损失,根据物质的性质 和形状大小,这里假定反射和散射的损失很小可以忽略。但是当 某特殊物质处于某特殊状态时,光通过该物质,光强不仅不减弱反 而增大。图21(a)示出光通过物质被减弱的普通情况。一般地,光 强按通过距离的指数函数减小。令入射光强为,通过物质后的 光强为I,通过距离为x则有吸 收时下式成立 I〓I0e (21) 式中a是物质固有的而且与频率 有关的吸收系数。 相反的,若是光通过物质后 反而增强时,与(2.1)相对应可写 成 i= Ine (22) HI,s 此时,a叫做增益系数。这样的 b 现象叫做负吸收[图21(b)] 如何才能使受照射的物质将 图2.1光和物质的相互作用 入射光放大呢?这就是给物质从 ()光的吸收(b)光的放大外部灌输能量,使之处于反转分 布或负温度状态。 I8
反转分布(负温度)状态 投有构成物质的原子(或分于)的两个能级1和2。其能量分 别为E1和E2,并设邳>E1(图1.12)。 令能级1和2上的原于数分别为N1、N2,统计权重(简并度) 分别为81、g2在热平衡时服从玻耳玆曼分布。 (23) 式中k是玻耳兹曼常数, 〓138×10-2焦耳·°K 1.38×10-16尔格·°K 由于Ex>E1及T>0 故 如果在同样的E2>E的条件下,要使与(24)相反 N N (25) g132 同时还要求(23)形式的关系成立,那末必须是 T<0 这样的状态确实存在,称为反转分布状态或负温度状态。 那末,光通过反转分布状态的物质时,为什么能够被放大呢? 2-2吸收系数和增盉系数 频率为v,强度为I的光通过厚度x的某种物质时,如前所 述,光强L将成为 (26) 式中配>0是v的函数,叫做吸收函数。 实验证明(26)在很多场合都成立,由此 dIo I uctt 故 1.d Iv dx