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大學(xué)物理激光第八部分第二十二章

激光原理我國的車載激光武器CollegePhysics大學(xué)物理第二節(jié)原子的能級、分布和躍遷第一節(jié)

激光概述第三節(jié)光的吸收與輻射第四節(jié)愛因斯坦輻射理論第五節(jié)產(chǎn)生激光的基本物理條件第六節(jié)激光器的工作原理第七節(jié)氦氖激光器1.從原子躍遷過程分析原子發(fā)光與吸收光。2.原子系統(tǒng)三種躍遷過程共存，激光光源為何能發(fā)激光。3.常規(guī)激光器發(fā)出激光要解決的兩大矛盾。4.常規(guī)激光器如何解決兩大矛盾從而發(fā)出激光。5.氦、氖激光器中的氦和氖各起的作用。CollegePhysics大學(xué)物理本章核心內(nèi)容

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”。LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationCollegePhysics大學(xué)物理一、激光的特點(diǎn)

2.空間相干性好，有的激光波面上各個點(diǎn)都是相干光源。

第一節(jié)激光概述

按工作方式分

三、激光的波長

二、激光的種類

固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分極紫外──可見光──亞毫米第一節(jié)激光概述激光的特性及其應(yīng)用方向性極好的強(qiáng)光束——準(zhǔn)直、測距、切削、武器等。相干性極好的光束——精密測厚、測角，全息攝影等。例１．激光光纖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(xì)的激光光纖能承載的信息量相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。通訊第一節(jié)激光概述例2.激光手術(shù)第一節(jié)激光概述診斷觀察（普通光纖）第一節(jié)激光概述第一節(jié)激光概述照明束（普通光纖）……照亮視場纖維鏡（普通光纖）……成象有源纖維（強(qiáng)激光）……使堵塞物熔化臂動脈主動脈冠狀動脈內(nèi)窺鏡附屬通道有源纖維套環(huán)纖維鏡照明束附屬通道（可注入氣或液）……排除殘物以明視線套環(huán)……（可充、放氣）阻止血流或使血流流通心臟手術(shù)（不需開胸，不住院）第一節(jié)激光概述例3．激光——原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上掃描,來探測固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置探針尖端在工作時處于受迫振動狀態(tài)，其頻率接近于探針的共振頻率。第一節(jié)激光概述探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯吸引力的作用時，其共振頻率發(fā)生變化，因而振幅也隨之改變。為了跟蹤尖端的振幅情況，將一束激光分成兩束。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置這兩束光重新會合后發(fā)生干涉。其中一束通過棱鏡反射，另一束則穿過布喇格室，然后從探針背面反射回來。第一節(jié)激光概述可檢測出尺度小至5毫微米的表面起伏變化。用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用的硅表面的質(zhì)量。根據(jù)干涉的情況可知探針振幅的變化情況,它反映了范得瓦爾斯吸引力的情況。據(jù)此可探知試樣表面的原子起伏情況。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置第一節(jié)激光概述

第一節(jié)激光概述例5．激光半導(dǎo)體(在固體部分學(xué))例4．激光單原子探測（略）隨著微電子電路技術(shù)的進(jìn)展，硅基片表面的不平坦度如果超過幾個原子厚度就將被認(rèn)為是不合格的。第一節(jié)激光概述一、粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布

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：

原子的激發(fā)

第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷

例：對原子上下能級數(shù)量級的估計：

給定：可得：第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷二、原子能級躍遷的有關(guān)規(guī)律第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷1、禁戒躍遷

（1）量子態(tài)主量子數(shù)----確定能級重簡并

每個能級有角量子數(shù)第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷（2）躍遷選擇定則無限制選擇定則的物理意義

取決于幾個守恒定律三、無輻射躍遷第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷激發(fā)態(tài)基態(tài)碰撞前碰撞后受激原子的壽命

第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷輻射躍遷與無輻射躍遷的異同（1）激發(fā)態(tài)四、受激原子的壽命

第二節(jié)原子的能級、分布及躍遷（1）激發(fā)態(tài)（2）亞穩(wěn)態(tài)

自發(fā)輻射幾率很小、壽命很長的能級。自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收一、自發(fā)輻射(spontaneousradiation)

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論寫成等式

各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無關(guān)的非相干光。

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論二、受激輻射(stimulatedradiation)

全同光子

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論

寫成等式

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論

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———有光的放大作用令

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論三、受激吸收(stimulatedabsorption)

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論寫成等式

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論

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基礎(chǔ)。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

第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論六十年代初對發(fā)明激光有貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家。1964年獲諾貝爾物理獎。巴索夫普羅恰洛夫湯斯第三、四節(jié)光的吸收與輻射

愛因斯坦輻射理論一、為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)

第五節(jié)產(chǎn)生激光的基本物理條件

要產(chǎn)生激光，就必須

第五節(jié)產(chǎn)生激光的基本物理條件二、光學(xué)諧振腔通過分別放置相互平行并與工作物質(zhì)的軸線垂直的兩塊反射鏡(兩反射鏡也可以是凹面甚至凸面反射鏡)，兩鏡間的空間(腔體)就稱為光學(xué)諧振腔。經(jīng)過了長期的發(fā)展，現(xiàn)今激光器所采用的光學(xué)諧振腔有各種各樣的構(gòu)型。這里選取最簡單的由兩個平面鏡構(gòu)成的平行平面腔，第五節(jié)產(chǎn)生激光的基本物理條件

原子激發(fā)的幾種基本方式：1.氣體放電激發(fā)2.原子間碰撞激發(fā)3.光激發(fā)(光泵)第六節(jié)激光器工作原理一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)第六節(jié)激光器工作原理1949年，卡斯特勒發(fā)明光泵，1971年獲得諾貝爾獎。激活介質(zhì)的特點(diǎn)：存在壽命較長的激發(fā)態(tài)---亞穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。第六節(jié)激光器工作原理二、光放大作用(1)自發(fā)幅射激勵(2)受激幅射增強(qiáng)

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,包括一端的部分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＝損耗增益損耗第六節(jié)激光器工作原理1、激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時的凈增益

第六節(jié)激光器工作原理

即單位長度上光強(qiáng)增加的比例。

第六節(jié)激光器工作原理2、考慮激光在兩端反射鏡處的損耗

輸出全反射鏡部分反射鏡

第六節(jié)激光器工作原理

輸出全反射鏡部分反射鏡

得

第六節(jié)激光器工作原理在激光形成階段即或須

第六節(jié)激光器工作原理在激光穩(wěn)定階段即光強(qiáng)增大到一定程度后

第六節(jié)激光器工作原理

這是由于光強(qiáng)增大伴隨著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度的減弱。（負(fù)反饋）

通常稱——為閾值條件(thresholdcondition)

第六節(jié)激光器工作原理選頻是諧振腔只允許某些特定頻率(波長)的光波振蕩與輸出。這是由于腔鏡的反射，入射與反射的激光束相向傳輸時會發(fā)生疊加，疊加后會不會發(fā)生干涉而形成駐波呢？這就需要用相干光三條件來判斷了。設(shè)n表示介質(zhì)的折射率，則要看腔內(nèi)振蕩的光波波長是否滿足下式：三、光學(xué)腔的選頻

在激光物理中，稱為諧振控的共振條件。也就是說，只有那些在腔中滿足上述兩條件之一的激光才能在腔內(nèi)振蕩(共振)，而其他不滿足式條件的激光則被諧振腔淘汰了。第五節(jié)產(chǎn)生激光的基本物理條件由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，所以有光程

第六節(jié)激光器工作原理

可以存在的縱模頻率為

相鄰兩個縱模頻率的間隔為

數(shù)量級估計

第六節(jié)激光器工作原理

第六節(jié)激光器工作原理

第六節(jié)激光器工作原理由于

取微分

第六節(jié)激光器工作原理

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)對稱分布第六節(jié)激光器工作原理小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件1.激勵能源（使原子激發(fā)）

2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）

3.光學(xué)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(diǎn)的位相相同，空間相干性最好。第六節(jié)激光器工作原理He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)Ne是工作（激活）物質(zhì)He與Ne之比為5∶1

10∶1例：He一Ne氣體激光器的結(jié)構(gòu)一、氦-氖激光器的基本結(jié)構(gòu)第七節(jié)氦-氖激光器二、He-Ne激光器的工作流程1.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2.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3.由于Ne的5S和4S態(tài)與He的21S和23S態(tài)的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時非常容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”第七節(jié)氦-氖激光器要產(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級的粒子數(shù)5.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)。4.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；6.放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)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)，這樣可以及時減少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。第七節(jié)氦-氖激光器Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條:

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)。第七節(jié)氦-氖激光器亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)碰撞轉(zhuǎn)移電子碰撞第七節(jié)氦-氖激光器補(bǔ)充說明：布魯斯特窗起什么作用？在光垂直入射時，約有4%能量反射，只有