2022-2023学年高二物理竞赛课件：激光

激 光 激 光 主要内容： 1. 自发辐射受、激辐射和受激吸收 2. 粒子数反转和光放大 3. 激光器的基本构成及激光的形成 4. 激光的纵模和横模 5. 激光的特性及应用 理学院 物理系 陈强 自发辐射受、激辐射和受激吸收 自发辐射 自发辐射系数 E2 E1 E2 E1 受激辐射 受激辐射系数 受激吸收 受激吸收系数 E2 E1 自发辐射 受激辐射 光波的频率 相位偏振态 无关 全同 一般情况下 理学院 物理系 陈强 粒子数反转和光放大 受激吸收 受激辐射 自发辐射 介质中的光强 I - kN1 IB + kN2 IB 忽略 光强变化 （介质处于粒子数反转态，则光在其中传播时得以放大）. 在通常情况下，介质处于热平衡状态 在外界能源激励下，打破热平衡，使N2 > N1（粒子数反转态）. 则 粒子数反转 —— 是产生光放大和激光的前提条件。 如何使 ？ 1. 粒子数反转 理学院 物理系 陈强 2. 增益系数G 增益介质 I I+dI z dz 经过介质薄层, 光强增量为 I0 I0 z o I 增益介质：处于粒子数反转态的介质.光传播时被放大. 在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加. 结论： 理学院 物理系 陈强 激光器的基本构成及激光的形成 实例：氦氖激光器 激励能源 谐振腔 全反射镜 部分 反射镜 谐振腔 1. 基本构成部分 工作物质 激光工作物质 激励能源 高压直流电源 工作物质：氖气 激励方式：直流气体放电 理学院 物理系 陈强 2. 激光的形成 (1) 亚稳态 —— 粒子数反转 激励 激发态 基态 （亚稳态） 激励 激发态 基态 （亚稳态） 三能级结构 四能级结构 激发态 增益介质（处于粒子数反转态的介质）. 激励系统 理学院 物理系 陈强 电子 碰撞 碰撞 亚稳态 例 He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 增益介质(Ne气体) 理学院 物理系 陈强 I0 eGL r1I0 eGL r1I0 e2GL r2 r1 I0 增益介质 (2) 阈值条件 r1r2I0 e2GL 要形成激光, 必须满足粒子数反转和阈值条件. I0 (r1,r2反射率) (阈值条件) 理学院 物理系 陈强 3. pn 结 pn 结中的电场和电势差 p区能带升高，n区能带降低，形成势垒 (1) pn 结中的电场和势垒 理学院 物理系 陈强 pn结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压变化. pn结中电场增强，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成很小的反向电流. (2) pn结中电流和外加电压的关系 正向电压 E 反向电压 E 理学院 物理系 陈强 10 20 30 10 20 0. 4 0. 8 20 30 pn 结单向导电性 pn 结伏安特性曲线 U / V I / mA 正向 反向 击穿电压 理学院 物理系 陈强 $