激光

nullnull激 光前 言粒子的统计分布自发辐射、受激辐射和吸收粒子数反转增益系数纵膜与横模激光的应用回篇首回主页结 束null前 言一、 激光 全名是 “辐射的受激发射光放大” 激光器是从微波量子放大器发展而来。 1917年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发射的存在。 1960年，梅曼 成功制成第一台红宝石激光器。同年， 雅文又制成了氦氖激光器。null二、特点： 单色性极好（～10 - 8埃） 方向性极好（发散角～10 -4弧度） 亮度极高 （脉冲功率～10 14瓦） 三、种类： 按工作物质分 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作方式分 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W ）四、波长： 极紫外──可见光──亚毫米 (100 nm） （1.222 mm）回首页null§20-1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发一、玻耳兹曼统计分布：若E2 > E1，则两能级上的原子数目之比 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：null若 取 T～103 K,  kT～1.38×10-20J～0.086 eV E2 –E1～1eV其估计值为 但要产生激光必须N2 > N1，称粒子数反转二、原子激发的几种基本方式： 1．气体放电激发 2．原子间碰撞激发 3．光激发普通光源——自发辐射 激光光源——受激辐射null1.自发辐射 N1、N2：单位体积中处于E1、E2能级的原子数则:§20-2 自发辐射、受激辐射和吸收 处于激发态的原子是不稳定的，它们在激发态的寿命约10－8，这种自发地从激发态返回较低能态而发出光子的过程，叫自发辐射。 单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：null写成等式A21：自发辐射系数。反映单个原子发生自发辐射的概率。 特点： 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。２．受激辐射 处于激发态的原子，在外来光子（电磁场）的作用下，引起从高能态向低能态的跃迁，并把两个状态之间的能量差以光子的形式辐射，这种过程叫受激辐射。null 设(,T) 为温度为Ｔ时，在频率为=(E2-E1)/h附近的单位频率间隔内，外来光的能量密度。则，单位体积中单位时间内，从E2E1受激辐射的原子数：写成等式 null特点： (1) 只有外来光子的能量hv=E2-E1，才能引起受激 辐射。 (2)受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相 及传播方向均相同。 (3) 具有光的放大作用——特征完全相同的光子 数增加了。受激辐射过程是产生激光的基本过程。 B21 :受激辐射系数 令W21=B21•(v,T) ， 则W21反映单个原子发生受激辐 射的概率。null３．吸收上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。则，单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：写成等式null则Ｗ12反映单个原子发生吸收的概率。令 在光与大量原子系统的相互作用中，这三个过程是同时发生的。（表示同一种原子的特性） 在能量密度(,T)为的外来单色光的照射下，在dt时间内，光与原子相互作用达到动态平衡，即 B12：吸收系数4. 自发辐射、受激辐射和吸收之间的关系null A21, B21 , B12 : 爱因斯坦系数（1917)。这三个系数都是原子能级系统的特征参量，与具体过程无关。 null对白炽灯：T=2800k ，=0.6，则例： null 从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射，也可能引起吸收§20-3 粒子数反转1.   为何要粒子数反转什么是光放大？ 一个光子hv射入一个原子体系后，在离开该原子体系时，成了两个或多个光子，且这些光子特征完全相同。null单位时间单位体积内原子系统吸收的光能量：单位时间单位体积内原子系统受激辐射产生的光能量：单位时间单位体积内原子系统产生的净光能量：null产生激光必须 (即，受激辐射占优势) 必须 N2 > N1（粒子数反转） 稳定的激光必须各能级上原子数动态平衡，即要求 ２．两能级系统不可能粒子数反转null但 W21=W12 即 W12 Gm , 光放大， 其光强会不会无限放大下去？ null§20-5　光学谐振腔要实现光的放大，需要 (1) 一个激励能源。 (2) 适合激光工作物质。 那么，满足上述两个条件后，是否一定能形成激光呢？ 又知 (,x) ex， 穿过增益介质的路程越长， ()也越大。 不一定。要能形成激光，必须使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程，即null  在增益介质的两端各加一块平面反射镜，其中一 块的反射率R11(全反射),另一块反射镜的反射率 R2<1(部分反射)。  两块反射镜互相严格平行，并垂直于增益介质的 轴线。 二、光学谐振腔的作用： (1)使激光具有极好的方向性（沿轴线） (2)增强光放大作用（延长了工作物质） (3)使激光具有极好的单色性（选频） 一、实际措施是采用光学谐振腔：null§20- 6　纵膜与横模一．利用阈值条件选频法 阈值条件为 若氦氖激光器只让波长0.6328m的光输出，可以控制Ｒ1、Ｒ2的大小进行选择。（容易满足阈值条件）对1.15m 、3.39m: （不易满足阈值条件）R1、R2大Gm 小R1、R2小Gm 大 对0.6328m: null二．利用纵模间隔选频法光学谐振腔两端反射镜处必是波节，其光程为(k=0,1,2…) k:真空中的波长 null可以存在的纵模频率 相邻两个纵模频率的间隔为 null若 取 Ｌ～1ｍ，n～1.0，c～３×108 ms，则而氦氖激光器0.6328m谱线的宽度为，因此，在区间中，可以存在的纵模个数为null若缩短管长Ｌ到 10cm 即 ＬL/10 则 k10 k即，在区间中，可能存在的纵模个数为 Ｎ１ 于是就能获得宽度非常窄的输出，极大地提高了0.6328m谱线的单色性。又例，原来在区间中，可能存在的纵模个数为N=3，扩大了相邻两个纵模频率的间隔后，可能存在的纵模个数为N=1，使激光具有了更好的单色性：nullnull※ 激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式： 基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性好。null一、激光的特性： (1) 优异的单色性、方向性 (2) 高亮度二、激光的应用： （1）可以做为长度和时间的基准。 （2）用于长度、转速、振动、电流、电压、温度 等方面的精密测量。 （3）用于精密定位，准直和测距等。 激光测长和测速：主要突出了激光的良好的单色性。 激光准直： 主要突出了激光的良好的方向性和单 色性。 激光加工： 主要突出它的高亮度。 激光测距、通讯：主要是利用了激光的良好的方向性、 高亮度和单色性。§20-7 激光的应用null小结：产生激光的必要条件ｌ.粒子数反转。２.激励能源。３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）结 束