1、激光的特點 及應用,1960年5月（美國）梅曼制成世界上第一臺 激光器,我國第一臺激光器是中國科學院長春光學精密 機械研究室王之江等幾位同事共同實驗研制的。 工作物質是紅寶石晶體。 時間是1961年9月。,激光是一種新光源，也是一門新興的科學技術,激光的特點及應用,一、激光的特點：,方向性極好（發(fā)散角10 -4弧度）,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埃）， 相干長度可達幾十公里。,相干性極好,脈沖瞬時功率大（可達10 14瓦）,亮度極高,能量集中,二、激光的應用,激光加工、激光準直、激光測距、激光手術、激光武器、激光核聚變. -方向性好和能量集中,

2、激光測長、激光干涉、激光測流速、激光全息照象、 -激光相干性極好,激光通訊、數(shù)據(jù)處理、-超短脈沖激光,激光信息儲存和光計算機：光計算機的運算速度可高達每秒百億次.,按工作方式分,連續(xù)式（功率可達104 W） 脈沖式（瞬時功率可達1014 W ）,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） ,按工作物質分,三、激光的種類：,1、自發(fā)輻射:,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)：,h,2 激光的產(chǎn)生,一、光和原子的相互作用,寫成等式,21 自發(fā)輻射系數(shù)，單

3、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、 無關的 非相干光 。,2受激輻射 :,全同光子,設 （、）溫度為時, 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的 外來光的能量密度。,單位體積中單位時間內(nèi)，從E E 受激輻射的原子數(shù)：,寫成等式,B21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、 相位及傳播方向均相同 -有光的放大作用。,令 W21 = B21 （、T）,3 . 吸收:,h,上述外耒光也有可能被吸收，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

4、原子數(shù)：,寫成等式,B12 吸收系數(shù),令 W12=12 ( 、T),W12 單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生 吸收過程的概率。,A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數(shù)。,愛因斯坦在 1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。,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 = B12,二、 粒子數(shù)反轉,一. 為何要粒子數(shù)反轉:,必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉）。,因 B21=B12, W21=W12,產(chǎn)生激光必須,把 的原子激發(fā)到高能態(tài) 上去，這個過程叫激勵，俗稱泵浦。能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的物質稱為激活物質。,例. He一Ne 氣

5、體激光器的粒子數(shù)反轉,三、激活物質的能級結構,外腔式He一Ne 氣體激光器,He -Ne 激光器中He是輔助物質，Ne是 激活物質，He與 Ne之比為51 101。,電子碰撞,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“共振轉移”；,（要產(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)）,

6、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。,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；,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，3 S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。, Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線, 圖中標明了最強的三條:,06328 115 m 339 ,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。,四、光學諧振腔 縱模與橫模,激勵能源,激光器有兩個反射鏡， 它們構成一個光學諧振腔。,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）；,3.使激光具有極好的單色性（選頻）。,設氦氖激光器Ne原子的 06328 m受激輻射光 的譜線寬度為, 如圖所示。, 1.3109 Hz,激光的縱膜,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,n 諧振腔內(nèi)媒質