第八篇激光原理演示文稿當(dāng)前第1頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)（優(yōu)選）第八篇激光原理當(dāng)前第2頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)光與物質(zhì)的相互作用時,原子的能級發(fā)生改變:原子可以從高能級躍遷到低能級,釋放出能量.原子可以吸收光子從低能級躍遷到高能級.若以輻射電磁波的形式釋放能量—輻射躍遷若釋放的能量轉(zhuǎn)化為體系的熱運(yùn)動動能—無輻射躍遷在物質(zhì)發(fā)光和光吸收過程中,主要涉及三種過程:自發(fā)輻射,受激輻射和受激吸收在實(shí)際的粒子系統(tǒng)中,這三種過程是同時存在并互相關(guān)聯(lián)的.一、受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射當(dāng)前第3頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)E2E1N2N1h外來光也有可能被吸收，使原子從E1E2.單位體積中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從E1E2的原子數(shù)：

B12——

吸收系數(shù)令W12=Ｂ12(

、T)

W12

單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率.1、受激吸收當(dāng)前第4頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)

設(shè)N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2

能級的原子數(shù)

單位體積單位時間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)：E2E1N2N1h處于高能級E2的原子自發(fā)地向低能級E1躍遷而放出光子單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率.

寫成等式

Ａ21自發(fā)輻射系數(shù)

各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無關(guān)的非相干光.2、自發(fā)輻射當(dāng)前第5頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)E2E1N2N1全同光子h處于高能級E2的粒子在外來輻射的作用下,躍遷回低能級E1,同時發(fā)射一個與外來輻射相同頻率的光子.外來光頻率滿足:單位體積中單位時間內(nèi)，從E２

E１受激輻射的原子數(shù)：其中(,T)表示溫度為T頻率為的輻射能量體密度(外來光子數(shù)密度).3、受激輻射當(dāng)前第6頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)若寫成等式B21為受激輻射系數(shù)W21單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射的概率.則受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同令W21=

B21·

（,T）——有光的放大作用。當(dāng)前第7頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)A21

、B21

、B12稱為愛因斯坦系數(shù).1917年愛因斯坦從理論上得出:愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。B21=B12熱平衡時,從E2→E1和粒子數(shù)應(yīng)等于從E1→E2的粒子數(shù)即:或:—愛因斯坦關(guān)系4、愛因斯坦關(guān)系當(dāng)前第8頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)處于熱平衡下的粒子,滿足玻耳茲曼分布

若E2>E

1，則兩能級上的原子數(shù)之比:

即能級越高,粒子數(shù)越少.

數(shù)量級估計：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;二、激光的形成當(dāng)前第9頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從E2→E1

自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。必須N2>N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。因B21=B12

W21=W12產(chǎn)生激光必須

當(dāng)前第10頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)(2)外界能源的激勵(稱為泵或抽運(yùn))能破壞熱平衡,使處于基態(tài)的原子選擇性地激發(fā)到高能級,實(shí)現(xiàn)兩能級E2和E1的粒子數(shù)反轉(zhuǎn).實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)中激活介質(zhì)或增益介質(zhì).(1)能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)（激活介質(zhì)）外界激勵的幾種基本方式：

氣體放電激勵

原子間碰撞激勵

光激勵(光泵)2、實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件當(dāng)前第11頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)3、能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)能級：大多數(shù)物質(zhì)原子的激發(fā)態(tài)都是不穩(wěn)定的，原子能夠在激發(fā)態(tài)停留的時間很短，稱之為能級壽命τ很短（τ~10-8s）。而亞穩(wěn)態(tài)能級的壽命可達(dá)ms甚至s數(shù)量級。當(dāng)粒子被激發(fā)后，能夠在亞穩(wěn)態(tài)能級停留較長時間，以便創(chuàng)造粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件。具有亞穩(wěn)態(tài)能級的物質(zhì)可以作為激光工作物質(zhì)。激光工作物質(zhì)在激勵能源的作用下，實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，通常稱為激活介質(zhì)。激光工作物質(zhì)參與產(chǎn)生激光的能級有三個或四個，分別叫做三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)。當(dāng)前第12頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)三能級系統(tǒng)E3與E1構(gòu)成一個寬吸收帶,E3上的原子無輻射躍遷到E2,

E2與E1構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),三能級體系效率不高.四能級系統(tǒng)E3E1壽命短,E2是亞穩(wěn)態(tài),因此能容易實(shí)現(xiàn)E2與E1能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),四能級體系效率高激勵抽運(yùn)E1E2E3A21W12W21激勵抽運(yùn)A21W12W21E1E2E3E03、能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級系統(tǒng)當(dāng)前第13頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)3．激光器的結(jié)構(gòu)激活介質(zhì)激勵能源光學(xué)諧振腔激光束(1)工作物質(zhì);激光器通常由工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔、激勵能源三部分組成。工作物質(zhì)的特點(diǎn)：光學(xué)性質(zhì)均勻、透明性好、穩(wěn)定性好；有亞穩(wěn)態(tài)能級；有較高的量子效率。當(dāng)前第14頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)受激輻射的光子處于相同狀態(tài)——相干光場.自發(fā)輻射的光子處于非相干狀態(tài).要使受激輻射為主,則要求W21=B21()<A21即要求:即相干光場的單色輻射能量密度大于某個最小值.要增大()必須使激活介質(zhì)長度遠(yuǎn)大于其橫向尺寸.即由自發(fā)輻射光子不斷引起受激輻射,使()不斷增大.(2)光學(xué)諧振腔當(dāng)前第15頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)光學(xué)諧振腔的作用：①使非軸向光逸出腔外,軸向光來回反射;②延長介質(zhì)長度,增強(qiáng)光放大;它由兩個反射鏡和激活介質(zhì)構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔。實(shí)際介質(zhì)并不足夠長,只有采用光學(xué)諧振腔激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光當(dāng)前第16頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)③使激光具有極好的方向性,只沿軸線發(fā)射;

④使激光具有極好的單色性（選頻性）.對于可能有多種躍遷的情況，利用光的干涉條件諧振腔的長度與波長滿足:不滿足此頻率的光將得不到加強(qiáng)而被淘汰.閾值——維持振蕩的條件諧振腔內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度愈大,光放大的增益越高.同時,光子減少的過程—損耗也存在(多種原因).只有當(dāng)增益大于損耗時,才能維持光振蕩.維持振蕩所需最小反轉(zhuǎn)密度叫閾值反轉(zhuǎn)密度.只有外界提供的能量超過其閾值時才能有激光輸出.當(dāng)前第17頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)(3)激勵能源為工作物質(zhì)提供能量，使其實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的裝置稱為泵，常用的泵有：化學(xué)泵氣體放電泵離子束泵當(dāng)前第18頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)1方向性好（發(fā)散角～10-4弧度）一束激光射到~38萬km的月球上，光斑的直徑只有~2km手電筒的光射到數(shù)m處，擴(kuò)展成很大的光斑。利用激光準(zhǔn)直儀可使長為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.三、激光的特性當(dāng)前第19頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)2亮度高——脈沖瞬時功率大（可達(dá)～1014瓦）亮度極高激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高激光在屏上形成的小光斑，有極大的照度太陽表面的亮度比白熾燈大幾百倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光是當(dāng)今世界上高亮度的光源。當(dāng)前第20頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的激光武器當(dāng)前第21頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)3

單色性好單色性最好的氪燈Kr86

Δ=4.7×10-3nm

穩(wěn)頻He—Ne激光器激光的單色性比普通光高倍.當(dāng)前第22頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)4相干性好空間相干性好，有的激光波面上各個點(diǎn)幾乎都是相干光源。時間相干性好（～10-8埃），相干長度可達(dá)幾十公里。當(dāng)前第23頁\共有24頁\編于星期三\10點(diǎn)激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科，主要分為以下幾類：激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG(釔鋁石榴石)激光器，CO