激光知識介紹激光知識介紹激光知識介紹普通光源-----自發(fā)輻射激光光源-----受激輻射前言激光又名鐳射(Laser)，它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大〞。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)第二章激光2〞通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；第一頁，共50頁。

普通光源-----自發(fā)輻射

激光光源-----受激輻射前言激光又名鐳射(Laser)，它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大〞。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)第二章激光2第二頁，共50頁。一.特點：方向性極好〔發(fā)散角～10-4弧度〕脈沖瞬時功率大〔可達～1014瓦〕

空間相干性好，有的激光波面上各個點都是相干光源。時間相干性好〔～10-8?！?，相干長度可達幾十公里。相干性極好亮度極高3第三頁，共50頁。

按工作方式分連續(xù)式〔功率可達104W〕脈沖式〔瞬時功率可達1014W〕

三.波長：極紫外──可見光──亞毫米(100nm〕〔1.222mm〕二.種類：固體〔如紅寶石Al2O3〕液體〔如某些染料〕氣體〔如He-Ne，CO2〕半導體〔如砷化鎵GaAs〕

按工作物質(zhì)分4第四頁，共50頁?！?粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布原子的激發(fā)

由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計分布：

5第五頁，共50頁。假設E2>E1，則兩能級上的原子數(shù)目之比數(shù)量級估計：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;6第六頁，共50頁。但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā);且N2>N1,稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)。原子激發(fā)的幾種根本方式：1．氣體放電激發(fā)2．原子間碰撞激發(fā)3．光激發(fā)(光泵)演示演示7第七頁，共50頁。

§2自發(fā)輻射受激輻射和吸收一.自發(fā)輻射(spontaneousradiation)

設N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2

能級的原子數(shù)。

單位體積中單位時間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)：E2E1N2N1h

8第八頁，共50頁。寫成等式

Ａ21

自發(fā)輻射系數(shù)，單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。

各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、無關(guān)的非相干光。9第九頁，共50頁。二．受激輻射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h

設〔、Ｔ〕……溫度為Ｔ時,頻率為=(E2-E1)/h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。10第十頁，共50頁。

單位體積中單位時間內(nèi)，從E２

E１受激輻射的原子數(shù)：寫成等式

B21

受激輻射系數(shù)11第十一頁，共50頁。W21

單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率。則受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均一樣------有光的放大作用。令 W21=B21·〔、T〕12第十二頁，共50頁。三.吸收(absorption)E2E1N2N1h

上述外耒光也有可能被吸收，使原子從E1

E2。

單位體積中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從

E1

E2的原子數(shù)：13第十三頁，共50頁。寫成等式

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。14第十四頁，共50頁。A21

、B21

、B12稱為愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦在1９１７年從理論上得出愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論根底。沒有實驗家,理論家就會迷失方向。沒有理論家,實驗家就會遲疑不決。B21=B1215第十五頁，共50頁?！?粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一.為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

(populationinversion)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。16第十六頁，共50頁。 必須N2> N1〔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)〕。因B21=B12

W21=W12產(chǎn)生激光必須

17第十七頁，共50頁。二．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)舉例

例.He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶1

10∶1。18第十八頁，共50頁。亞穩(wěn)態(tài)

電子碰撞

碰撞轉(zhuǎn)移

亞穩(wěn)態(tài)19第十九頁，共50頁。He-Ne激光管的工作原理：

由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級)

的概率比Ne原子被激發(fā)的概率大；

在He

的23S，21S這兩個能級都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；

在He的這兩個激發(fā)態(tài)上集聚了較多的原子。由于Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時非常容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移〞；20第二十頁，共50頁?！惨a(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設法減少下能級的粒子數(shù)〕

正好Ne的5S，4S是亞穩(wěn)態(tài)，下能級4P，

3P的壽命比上能級5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在碰撞中He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而Ne則被激發(fā)到5S或4S；21第二十一頁，共50頁。放電管做得比較細〔毛細管〕，可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無輻射躍遷〞而回到基態(tài)，以及時減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級4P與3P態(tài)的抽空。22第二十二頁，共50頁。

Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,

圖中標明了最強的三條:0．6328

ｍ

1．15

m3．39

ｍ它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。23第二十三頁，共50頁?！?增益系數(shù)激光器內(nèi)受激輻射光來回傳播時，并存著

增益——光的放大；損耗——光的吸收、散射、衍射、透射〔包括一端的局部反射鏡處必要的激光輸出〕等。激光形成階段：增益＞損耗激光穩(wěn)定階段：增益＝損耗增益損耗24第二十四頁，共50頁。

一．激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時的凈增益

設ｘ＝0處，光強為I0

ｘ

I

ｘ+dx

I+dI

有dI

Idx

寫成等式dI=GIdx

定義：增益系數(shù)G(gaincoefficient)25第二十五頁，共50頁。

即單位長度上光強增加的比例。一般G不是常數(shù)。為簡單起見，先近似地認為G是常數(shù)。26第二十六頁，共50頁。

二.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗

I0

激光從左反射鏡出發(fā)時的光強。

I1

經(jīng)過工作物質(zhì)后，被右反射鏡反射出發(fā)時的光強。

I0

輸出全反射鏡局部反射鏡I1LI2

再經(jīng)過工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射出發(fā)時的光強。I2R1、R2

左、右兩端反射鏡的反射率.27第二十七頁，共50頁。顯然有I

1=R

2I

0eGLI

2=R1I

1eGL

=R1

R

2

I

0e2GLI

2=R

1I

1eGL

所以

在激光形成階段即R1

R2e2GL>1或須

I2/I0>128第二十八頁，共50頁。式中Gm——稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光的最小增益。

在激光穩(wěn)定階段即光強增大到一定程度后須

I2/I0=129第二十九頁，共50頁。在激光的形成階段G>Gm,光放大，怎麼光強不會無限放大下去？在激光的穩(wěn)定階段怎么又會G=Gm原因是實際的增益系數(shù)G不是常量,當I

時，會

G

。這是由于光強增大伴隨著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度的減弱。〔負反響〕不會。30第三十頁，共50頁。當光強增大到一定程度，G下降到Ｇm時，增益=損耗，激光就到達穩(wěn)定了。通常稱-----為閾值條件。(thresholdcondition)31第三十一頁，共50頁?！?光學諧振腔縱膜與橫模

(opticalharmonicoscillator)

(longitudinalmodeandtransversemode)激光器有兩個反射鏡，它們構(gòu)成一個光學諧振腔。激勵能源

全反射鏡部分反射鏡

激光32第三十二頁，共50頁。光學諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性〔沿軸線〕；2.增強光放大作用〔延長了工作物質(zhì)〕；3.使激光具有極好的單色性〔選頻〕。閾值條件為對于可能有多種躍遷的情況，可以利用閾值條件來選出一種躍遷。選頻之一：33第三十三頁，共50頁。

我們可以控制Ｒ1、Ｒ2的大?。?/p>

對0.6328

m——Ｒ1、R2大

——Gm小(易滿足閾值條件，使形成激光)

；對1.15m、3.39m——Ｒ1、Ｒ2小——Gm大〔不滿足閾值條件，形不成激光〕。例如，假設氦氖激光器Ne原子的0.6328m,1.15m,3.39m受激輻射光中,只讓波長0.6328m的光輸出，34第三十四頁，共50頁。設氦氖激光器Ne原子的0．6328m受激輻射光的譜線寬度為,如下圖。

0

109Hz對于單一的躍遷，還可以利用選擇縱模間隔的方法，進一步在譜線寬度內(nèi)再選頻。選頻之二：35第三十五頁，共50頁。

0

0由于為什么激光的譜線寬度會小到

10-8?？取絕對值36第三十六頁，共50頁。由于光學諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，所以有光程(k=1、2、3、…．)

k—真空中的波長Lk=1k=2k=3n—諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率37第三十七頁，共50頁?？梢源嬖诘目v模頻率為

相鄰兩個縱模頻率的間隔為

數(shù)量級估計：

Ｌ～1ｍ；

n～；

c～３×108m

s38第三十八頁，共50頁。而氦氖激光器0.6328

m譜線的寬度為

=1．3×109HZ因此，在

區(qū)間中，可以存在的縱模個數(shù)為39第三十九頁，共50頁。利用加大縱模頻率間隔

k的方法,可以使

區(qū)間中只存在一個縱模頻率。比方縮短管長Ｌ到10cｍ，

即Ｌ

L/10則

k

10

k在

區(qū)間中，可能存在的縱模個數(shù)為Ｎ=1。40第四十頁，共50頁。于是就獲得了譜線寬度非常窄的激光輸出，極大地提高了0.6328

m

譜線的單色性。激光除了有縱向駐波模式外，還有橫向駐波模式?；８唠A橫模軸對稱分布旋轉(zhuǎn)對稱分布41第四十一頁，共50頁。小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件ｌ.鼓勵能源〔使原子激發(fā)〕２.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)〔有適宜的亞穩(wěn)態(tài)能級〕３.光學諧振腔〔方向性，光放大，單色性〕基橫模在激光光束的橫截面上各點的位相一樣，空間相干性最好。42第四十二頁，共50頁?！?激光的特性及其應用★方向性極好的強光束

--------準直、測距、切削、武器等?！锵喔尚詷O好的光束--------精細測厚、測角，全息攝影等。43第四十三頁，共50頁。

例１．激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，一根極細的光纖能承載的信息量，相當于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。44第四十四頁，共50頁。例2.激光手術(shù)刀〔不需開胸，不住院〕

照明束……照亮視場

纖維鏡激光光纖…