第一章激光基础知识 - 第19章激光和固体的量子理论.ppt

第二章第二章 激光的产生与特性激光的产生与特性粒子的能级与能级跃迁粒子的能级与能级跃迁激光产生的条件激光产生的条件 激光器激光器激光器的增益和损耗激光器的增益和损耗激光的特性激光的特性第一节第一节 粒子的能级与能级跃迁粒子的能级与能级跃迁一、原子能级一、原子能级 原子中所有电子的动能与势能之和就是原子中所有电子的动能与势能之和就是原子原子的能量的能量.原子的能量也是量子化的。将原子可能具原子的能量也是量子化的。将原子可能具有的有的不连续能量值不连续能量值按大小顺序排列，称为按大小顺序排列，称为原子的原子的能级能级。基态基态 激发态激发态 原子从一个能级跳到另一个能级的过程称为原原子的跃迁。子的跃迁。二、光辐射及其三种基本形式二、光辐射及其三种基本形式 19161916年爱因斯坦提出的年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。理论是现代激光系统的物理学基础。原子中任何一个电子能量变化，原子就由一原子中任何一个电子能量变化，原子就由一个能级跳变到另一个能级，称为个能级跳变到另一个能级，称为能级跃迁能级跃迁。自发辐射自发辐射处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完全自发地向低能级跃迁同时释放光子的过程叫做全自发地向低能级跃迁同时释放光子的过程叫做自自发辐射发辐射。特点：特点：这类光源中各原子的跃迁是这类光源中各原子的跃迁是彼此独立彼此独立地、互不相干地进行的。地、互不相干地进行的。自发辐射发出的光子的频率为：自发辐射发出的光子的频率为：式中式中h h为普朗克常数为普朗克常数6.62410-6.62410-J Js s。各个原子自发辐射的光是非相干光各个原子自发辐射的光是非相干光设设N1、N2单位体积中处于单位体积中处于E1、E2能级的原子数能级的原子数单位体积单位体积中中dt时间内时间内，从，从E2E1自发辐射的原子数：自发辐射的原子数：21 21 自发辐射系数自发辐射系数E2E1N2N1h 无外界影响无外界影响自发辐射自发辐射2121 的物理含义：的物理含义：单位时间内发生自发辐射的原子数密度在单位时间内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级处于高能级E E2 2的原子数密度中所占的的原子数密度中所占的比例比例或或每一个处于每一个处于E E2 2能级的能级的原子在单位时间内原子在单位时间内发生自发辐射过程的发生自发辐射过程的概率概率。原子被外界激发后，自发辐射发出的光称为原子被外界激发后，自发辐射发出的光称为荧光荧光为为荧光寿命荧光寿命或或能级能级寿命寿命与跃迁概率成反比与跃迁概率成反比一般原子或离子：一般原子或离子：分子：分子：1ms实验表明：外界激发停止实验表明：外界激发停止荧光强度按指数规律衰减荧光强度按指数规律衰减自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收 原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃迁的过程称为迁的过程称为受激吸收受激吸收。特点：特点：不是自发产生的，必须有外来光子的不是自发产生的，必须有外来光子的“激励激励”才会发生，并且外来光子的能量应等于原子才会发生，并且外来光子的能量应等于原子跃迁前后两个能级间的跃迁前后两个能级间的能量差（能量差（），才，才会发生受激吸收。会发生受激吸收。E2E1N2N1h 外来光可以激发原子，也有可能被原子吸收，使外来光可以激发原子，也有可能被原子吸收，使原子从原子从E1E2单位体积中单位时间内因吸收外来单位体积中单位时间内因吸收外来光而从光而从E1E2的原子数密度：的原子数密度：写成等式：写成等式：B12受激受激吸收系数吸收系数受激吸收受激吸收令令W12=12(，T)则：则：W12单个原子在单位时间内发生吸收单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率过程的概率或：或：在能量密度为在能量密度为（，T T）的光照射下，单位时间内产生受激吸收的原子）的光照射下，单位时间内产生受激吸收的原子数密度在数密度在E1E1能级的总原子数密度中所占的比例。能级的总原子数密度中所占的比例。其意义：其意义：A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在1年从理论上得出：年从理论上得出：B21=B12受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射 处于高能级的原子在自发辐射之前，受到一个处于高能级的原子在自发辐射之前，受到一个能量为的光子的能量为的光子的“诱发诱发”后，可释放出一个与诱发后，可释放出一个与诱发光子光子特征完全相同特征完全相同的光子而跃迁到低能级，这个过的光子而跃迁到低能级，这个过程称为程称为受激辐射受激辐射。持续的受激辐射形成的光束就叫做持续的受激辐射形成的光束就叫做激光激光。外来光子能量：外来光子能量：设设 （，）表示温度为时，）表示温度为时,频率为频率为 =(E2-E1)/=(E2-E1)/h h附近，单位频率间隔附近，单位频率间隔内外来光内外来光的的能量密度能量密度，则：，则：单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从EE受激辐射的受激辐射的原子数密度原子数密度受激辐射受激辐射E2E1N2N1全同光子全同光子h 与外来光子与外来光子全同全同：频率、相位、振动方向频率、相位、振动方向和和传播方向传播方向均相同均相同如此下去可实现如此下去可实现“光放光放大大”各个原子受激辐射的各个原子受激辐射的光是光是相干光相干光写成等式：写成等式：B21受激辐射系数受激辐射系数令令W21=B21 （，T）则）则 单位时间内在能量密度为单位时间内在能量密度为（，T T）的光照射下，跃迁到低）的光照射下，跃迁到低能级能级E E1 1的原子数密度在的原子数密度在E E2 2能级总原子数密度中所占的能级总原子数密度中所占的比例比例。或：或：W21 W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率概率。意义？意义？2121 与与W W2121不同：不同：某能级系统某能级系统2121为为常数常数W W2121与与（、T T）有关）有关,不为常数不为常数受激辐射受激辐射一、产生激光的基本条件一、产生激光的基本条件一、产生激光的基本条件一、产生激光的基本条件 在通常情况下，原子在各能级上的分布服从在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻玻尔兹曼分布定律尔兹曼分布定律，即在，即在低能级上的原子数较多低能级上的原子数较多，光通，光通过物质时，受激吸收占优势。过物质时，受激吸收占优势。激光就是由激光就是由受激辐射受激辐射产生的被放大了的相干光。产生的被放大了的相干光。在通常状态下，在通常状态下，三种跃迁同时存在三种跃迁同时存在，哪种跃迁占，哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。优势取决于高低能级的原子数。第二节第二节第二节第二节 激光的产生激光的产生激光的产生激光的产生 粒子数反转粒子数反转粒子数正常分布和粒子数布居反转分布粒子数正常分布和粒子数布居反转分布 则则 ，表明处于低能级的电子数大于高能，表明处于低能级的电子数大于高能级的电子数级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布这种分布叫做粒子数的正常分布 。叫做粒子数布居反转叫做粒子数布居反转 ,简称简称粒子数反转粒子数反转或称布居反转。或称布居反转。已知已知粒子数的正常分布粒子数的正常分布.。粒子数反转分布粒子数反转分布.。为何要粒子数反转？为何要粒子数反转？从从E E2 2 E E1 1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。程，也可能引起吸收过程。产生激光必须：产生激光必须：因因 B B2121=B B1212 W W2121=W W1212 必须必须 N N2 2 N N1 1 （粒子数反转）粒子数反转）产生激光的基本条件产生激光的基本条件实现粒子数反转的必要条件实现粒子数反转的必要条件 粒子数反转粒子数反转通过给物质提供通过给物质提供能量，可以使较多的能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，原子跃迁到高能级，如果物质如果物质具有亚稳态具有亚稳态能级能级，就能实现粒子，就能实现粒子数反转。数反转。产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件二、激光器的组成和常见激光器二、激光器的组成和常见激光器二、激光器的组成和常见激光器二、激光器的组成和常见激光器激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔常用激光器由常用激光器由三部分组成三部分组成：工作物质工作物质泵浦源泵浦源光学谐振腔光学谐振腔激光器结构示意图激光器结构示意图按输出方式分：按输出方式分：脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出半导体激光器半导体激光器按工作物质分按工作物质分：气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激光器自由电子激光器激光器的分类激光器的分类2、激光器的分类、激光器的分类（按工作物质分类）（按工作物质分类）激激光光器器气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器半导体激光器半导体激光器染料激光器染料激光器 气体激光器，按工作物质的性质又分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。波谱范围广，能连续输出，单色性、方向性比其它类型的激光器好。且制造方便、成本低、可靠性高。常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工作物质较贵，结构制造复杂。半导体激光器的种类很多。不同类型的工作物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱结构复杂，单色性差，但其重量轻、耗电省。利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围内连续可调的激光。激光类型 波 长 典型脉冲 持续时间激光类型 波 长典型脉冲持续时间 氩离子 氪离子 氦氖二氧化碳 染料激光器二极管激光器 红宝石激光器 Nd:YLF Nd:YAG Ho:YAG Er:YAG 变频晶体488/514nm531/568/647nm 633nm 10.6m450900nm670900nm 694nm 1053nm 1064nm 2120nm 2940nm720800nm 连续 连续 连续 连续或脉冲 连续或脉冲 连续或脉冲 1250s100ns250s100ns250s100ns250s100ns250s50ns100s XeCI XeF KrF ArF Nd:YLF Nd:YAG自由电子激光Ti:蓝宝石 308nm 351nm 248nm 193nm 1053nm 1064nm8006000nm7001000nm20300ns1020ns1020ns1020ns30100ps30100ps210ps10fs100fs3 3、医用激光系统的主要特征、医用激光系统的主要特征注：Nd:YAG 掺钕钇铝石榴石 Nd:YLF 掺钕氟锂钇 1 1、工作物质、工作物质 把激光器中能把激光器中能产生激光产生激光的物质称为的物质称为工作物质工作物质。常用固体激光工作物质有掺铬的红宝石，掺钕或常用固体激光工作物质有掺铬的红宝石，掺钕或掺钬、掺铒的石榴石。掺铬的红宝石晶体是比较典型掺钬、掺铒的石榴石。掺铬的红宝石晶体是比较典型的的三能级系统三能级系统，其工作物质的主要成分是氧化铝，其工作物质的主要成分是氧化铝（AlAl2 2O O3 3），铬离子具有），铬离子具有E0E0、E1E1和和E2E2三个能级。三个能级。E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)氦氖激光器（氦氖激光器（四能级系统四能级系统）E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)气体的工作物质气体的工作物质有有CO2CO2、N2N2、He-NeHe-Ne等分子、原子、等分子、原子、或离子气体，及或离子气体，及ArFArF、XeClXeCl、KrFKrF等准分子气体。等准分子气体。有有单种气体单种气体的激光器，也有些激光器为了加强能的激光器，也有些激光器为了加强能量转换，掺入一些量转换，掺入一些辅助气体辅助气体。液体的工作物质液体的工作物质有无机染料液体和有机染料液体，有无机染料液体和有机染料液体，常用的有机燃料物质有若丹明、荧光素、香豆素、常用的有机燃料物质有若丹明、荧光素、香豆素、吖啶橙等，将这种染料溶于适当的液体中，产生吖啶橙等，将这种染料溶于适当的液体中，产生激光作用的是激光作用的是有机染料分子有机染料分子。美国物理学家梅曼于美国物理学家梅曼于1960年年9月制成第一台红月制成第一台红宝石固体激光器宝石固体激光器.从外界输入能量从外界输入能量（如光照（如光照,放电等）放电等）,把低能级把低能级上的原子激发到高能级上去上的原子激发到高能级上去,这个过程叫做这个过程叫做激励激励（也叫（也叫泵浦泵浦）。）。红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图.。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态2 2、激励系统、激励系统 原子激发的几种基本原子激发的几种基本(激励激励)方式：方式：1 1电子和原子间碰撞而交换能量电子和原子间碰撞而交换能量放电激励（气体激光器）放电激励（气体激光器）光激励（固、液体激光器）光激励（固、液体激光器）还有化学、还有化学、热、核激励等热、核激励等放电管内有大量电子、离子和原子放电管内有大量电子、离子和原子频繁碰撞和交换能量，形成粒子数反转频繁碰撞和交换能量，形成粒子数反转有两个基本过程：有两个基本过程：2 2原子与原子间碰撞而交换能量原子与原子间碰撞而交换能量条件条件混合气体的原子必须具有混合气体的原子必须具有互相靠近的能级互相靠近的能级又称为又称为共振转移共振转移、碰撞转移碰撞转移电子动能转化为原子内能电子动能转化为原子内能一旦一旦“粒子数反转粒子数反转”即可即可“光放大光放大”但实际上但实际上“一次一次”很微弱（很微弱（原因？原因？）如如He-NeHe-Ne1m1m长长仅增仅增1010-2-2量级量级怎么办？怎么办？选频、选方向选频、选方向！（抑制（抑制其它频率、方向其它频率、方向的光）的光）光学谐振腔：光学谐振腔：采用采用由由激活介质激活介质（激励能源）激励能源）和和反射镜反射镜构成构成3 3、光学谐振腔、光学谐振腔在激活介质的在激活介质的两端安置两块反射两端安置两块反射镜面，一个是全反镜面，一个是全反射镜，一个是部分射镜，一个是部分反射镜，这对反射反射镜，这对反射镜面及其间的空间镜面及其间的空间称为称为光学谐振腔光学谐振腔。要得到要得到方向性和单色性很好方向性和单色性很好的激光，还必须采的激光，还必须采用光学谐振腔。用光学谐振腔。光学谐振腔光学谐振腔M M1 1M M2 2M M1 1M M2 2M M1 1M M2 2全反射镜部分反射镜谐振腔对光束方向的选择性 谐振腔可以将其它方向和频率的光子抑制住，而使某一方向和频率的光子享有最优越的条件进行放大。最常用的是平行平面腔。偏离轴线方向的光子逸出腔外 沿轴线方向的光子，在腔内来回反射，产生连锁式放大 在一定条件下，从部分反射镜射出很强的光束-激光激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1.1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）；2.2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）；3.3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。激活介质激活介质正反馈作用正反馈作用使光使光仅沿轴线方向仅沿轴线方向振荡！振荡！放大作用放大作用 只有与反射镜轴向只有与反射镜轴向平行的一定波长（频率）平行的一定波长（频率）的的光能在激活介质内来回反射光能在激活介质内来回反射（持续振荡），（持续振荡），雪崩式雪崩式地地放大放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。分反射镜面输出，得到激光。光学谐振腔对光的方向选择性光学谐振腔对光的方向选择性关于如何关于如何“选频选频”（1 1）谱线宽度）谱线宽度E2E1N2N1h 实际上，实际上，不止一种不止一种频率！频率！谱线有一定宽度。谱线有一定宽度。0设氦氖激光器设氦氖激光器Ne原子的原子的0.6328 m受激辐射光的频率范围受激辐射光的频率范围 1.3 109Hz 小，小，单色性好！单色性好！引起谱线加宽的原因：引起谱线加宽的原因：自然加宽、压力加宽、自然加宽、压力加宽、多普勒加宽多普勒加宽原子间碰撞引起原子间碰撞引起与机械波类似，波源运动，有多普勒效应与机械波类似，波源运动，有多普勒效应原子无规热运动，同时发光原子无规热运动，同时发光光源运动光源运动光的光的多普勒效应多普勒效应对于对于He-NeHe-Ne激光器：激光器：632.8nm632.8nm室温时频率间隔：室温时频率间隔：但实际激光的谱线宽度但实际激光的谱线宽度为什么会小到为什么会小到 1010-8-8？选择纵模间隔，进一步在谱线宽度内选频选择纵模间隔，进一步在谱线宽度内选频利用利用“谐振谐振”选频选频由于光学谐振腔两端反射镜处必是由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节波节所以有所以有光程光程 (k k=1=1、2 2、3 3、)k k真空中的波长真空中的波长L Lk k=1=1k k=2=2k k=3=3n n 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率（2 2）谐振频率）谐振频率选频之一选频之一 只有处于只有处于荧光谱线内荧光谱线内的那些频率才有可能真的那些频率才有可能真正起振，形成振荡。正起振，形成振荡。如何选频？如何选频？可以存在的可以存在的纵模纵模频率为频率为:腔内允许的腔内允许的相邻相邻两个纵模频率间隔为：两个纵模频率间隔为：数量级估计：数量级估计：0.270.27；n n1.01.0；c c10108 8 m m s s电磁波在腔内沿纵轴方向形成的电磁波在腔内沿纵轴方向形成的每一种稳定的每一种稳定的场分布模式场分布模式 若若1 1如：氦氖激光器如：氦氖激光器 0.6328 0.6328 m m 谱线的频率范围为谱线的频率范围为 D D =1.510=1.5109 9 H HZ Z 因此，在激光振荡的频率范围因此，在激光振荡的频率范围 区间中，可以区间中，可以存在的存在的纵模纵模个数为个数为:D D或者：或者：利用利用加大纵模频率间隔加大纵模频率间隔k k的方法的方法,可以使可以使区间区间中只存在一个纵模频率。中只存在一个纵模频率。比如缩短管长比如缩短管长到到 10 c10 c，即即 L L/10/10则则 k k10 10 k k在在 区间中，可能存在的纵模个数为区间中，可能存在的纵模个数为 =1=1 于是就可获得谱线于是就可获得谱线宽度非常窄的激光输宽度非常窄的激光输出，能极大地提高出，能极大地提高（0.6328 0.6328 m m）谱线）谱线的单色性。的单色性。小结：小结：产生激光的产生激光的必要条件必要条件 .受激辐射受激辐射 3.3.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级）4.4.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）还有吸收、散射、衍射、透射等还有吸收、散射、衍射、透射等损耗损耗因此，因此，光放大的作用光放大的作用要高于某一要高于某一最低限最低限（大于（大于损耗损耗）增益系数增益系数来衡量来衡量振荡阈值条件振荡阈值条件2.2.激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发）5.5.相长的振荡相长的振荡4 4、阈值条件、阈值条件在谐振腔内，除了有光的增益，还存在在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的工作物质对光的吸收、散射吸收、散射以及以及反射镜的吸反射镜的吸收和透射收和透射等造成的等造成的各种损耗各种损耗，只有当光在谐，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。能形成激光。增益大于损耗增益大于损耗的条件称为的条件称为阈值阈值条件条件。在设计谐振腔时，可以有选择地使对特在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长的光满足阈值条件，使该波长的光定波长的光满足阈值条件，使该波长的光形成激光输出。形成激光输出。激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时，并存着来回传播时，并存着 增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要（包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。的激光输出）等。激光形成阶段：增益损耗激光形成阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗增益增益损耗损耗 关于增益系数关于增益系数 （1 1）激光在工作物质内传播时的净增益）激光在工作物质内传播时的净增益设设0 0处，光强为处，光强为I I0 0I+dx I+d I有有dI Idx写成等式写成等式d I=G I dx定义：增益系数定义：增益系数G即单位长度上光强增加的比例。即单位长度上光强增加的比例。一般一般G G不是常数。不是常数。为简单起见，先近似地认为为简单起见，先近似地认为G G是常数。是常数。(2)(2)考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗 I I0 0 激光从左反射镜出发时的光强。激光从左反射镜出发时的光强。I I1 1 经过工作物质后，经过工作物质后，被右反射镜反射出发时的被右反射镜反射出发时的光强。光强。I I2 2 再经过工作物质，再经过工作物质，并被左反射镜反射出发并被左反射镜反射出发时的光强。时的光强。I I0 0 输出输出全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜I I1 1L LI I2 2R R1 1、R R2 2 左、右两端反射镜的左、右两端反射镜的反射率。反射率。显然有显然有I1=R2I0eGLI2=R 1I1eGL=R 1R2 I0e2GLI2=R1I1eGL所以所以 在激光形成阶段在激光形成阶段即即 R1R2e2GL1或或须须 I2/I01 式中式中G Gm m称为称为阈值增益阈值增益，即产生激光，即产生激光的最小增益。的最小增益。在激光稳定阶段在激光稳定阶段 即即 光强增大到一定程度后光强增大到一定程度后须须 I I2 2 /I I0 0 =1 =1在激光的形成阶段在激光的形成阶段G G G Gm m,光放大，光放大，怎麽光强不会无限放大下去？怎麽光强不会无限放大下去？在激光的稳定阶段在激光的稳定阶段怎么又会怎么又会G G=G Gm m?原因是实际的增益系数原因是实际的增益系数G G不是常量不是常量,当当I I 时，会时，会G G 这是由于光强增大伴随着这是由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱。粒子数反转程度的减弱。（负反馈）（负反馈）不会。不会。当光强增大到一定程度，当光强增大到一定程度，G G下降到下降到m m时，时，增益增益=损耗，激光就达到稳定了。损耗，激光就达到稳定了。通常称通常称 -为阈值条件。为阈值条件。我们可以控制我们可以控制1 1、2 2的大小：的大小：对对 0.6328 0.6328 m m 1 1、R R2 2大大 G Gm m 小小(易满足阈值条件，使形成激光易满足阈值条件，使形成激光)；对对 1.15 1.15 m m 、3.39 3.39 m m 1 1、2 2小小 G Gm m大（不满足阈值条件，形不成激光）。大（不满足阈值条件，形不成激光）。例如，若氦氖激光器例如，若氦氖激光器N Ne e原子的原子的0.6328 0.6328 m,1.15 m,1.15 m,m,3.39 3.39 m m 受激辐射光中受激辐射光中,只让波长只让波长0.6328 0.6328 m m的光输出的光输出选频之二选频之二对于可能有多种跃迁的情况，对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来可以利用阈值条件来选出一种跃迁选出一种跃迁。阈值条件为：阈值条件为：光波是矢量光波是矢量 E E 和和 B B 在空间的传播。在空间的传播。实验证明光波中参与与物质相互作用（感光作用、实验证明光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用等）的是生理作用等）的是E E 矢量，称它为矢量，称它为光矢量光矢量。E E 矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动。第三节第三节 激光的特性激光的特性Ec0B 1 1、光矢量、光矢量 一、光的电磁波理论一、光的电磁波理论 3-1 3-1 光的基本性质光的基本性质 10310610910121015102210310010-610-910-1310510-2HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01mX 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微微 波波高频电视高频电视调频广播调频广播雷达雷达无线电射频无线电射频电力传输电力传输射线射线电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱频率频率波长波长2 2、电磁波谱、电磁波谱4000紫7600红可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。二、光源的发光特性二、光源的发光特性 原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为1010-8-8 s s。原子每一次发光的光波是一段有限长的波列，波列原子每一次发光的光波是一段有限长的波列，波列长度为长度为0.030.033m3m。其频率一定、振动方向一定。其频率一定、振动方向一定。原子在激发态上存在的时间的数量级为原子在激发态上存在的时间的数量级为1010-11-111010-8-8s s，它很快就回到较低的能态，并发射光波。，它很快就回到较低的能态，并发射光波。光源的最基本发光单元是分子、原子。光源的最基本发光单元是分子、原子。=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长L=c 是波列持续时间是波列持续时间普通光源：自发辐射普通光源：自发辐射独立独立（同一原子不同时刻发的光）（同一原子不同时刻发的光）独立独立（不同原子同一时刻发的光）（不同原子同一时刻发的光）激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射E1E2 完全一样完全一样(频率、位相、频率、位相、振动方向振动方向,传播方向传播方向)=(E2-E1)/h 复色光：不同频率单色光的混合光称为复色光。复色光：不同频率单色光的混合光称为复色光。单色光：具有单一频率的光波称为单色光。单色光：具有单一频率的光波称为单色光。单色光单色光单色光单色光 谱线宽度谱线宽度光谱曲线光谱曲线自然宽度自然宽度多普勒加宽多普勒加宽谱线及其宽度谱线及其宽度强度波长波长复色光复色光 激光束的发散角很激光束的发散角很小，一般为小，一般为10-510-8弧弧度度激光定位、导向、激光定位、导向、测距等就利用了方向测距等就利用了方向性好的特点。性好的特点。3-2 3-2 3-2 3-2 激光束的特性激光束的特性激光束的特性激光束的特性一、方向性好一、方向性好二、单色性好二、单色性好 单色性好，指激光所包含的波长范围非常窄，单色性好，指激光所包含的波长范围非常窄，即光谱线宽度窄，从而颜色非常单纯。利用激光单即光谱线宽度窄，从而颜色非常单纯。利用激光单色性好的特性，可为计量工作提供标准光源。还可色性好的特性，可为计量工作提供标准光源。还可进行激光通讯，等离子体测试等。进行激光通讯，等离子体测试等。光缆光缆 由于激光具有高方向由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中等显著优点，光纤通信中的光波主要是的光波主要是激光激光，所以，所以又叫做又叫做激光激光-光纤通信。光纤通信。激光通讯激光通讯 激光通信是以光激光通信是以光波作为载波，将信息波作为载波，将信息调制到光波上加以传调制到光波上加以传输。输。无线电载波的频无线电载波的频率在率在10610610101010赫，而赫，而光波频率在光波频率在1011101110151015赫，因而光波比赫，因而光波比电波能电波能容纳更多的信容纳更多的信息量息量。激光能量在时间和空间上高度集中，能在极激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。小区域产生几百万度的高温。激光加工、激光手术、激光武器等就利用激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高功率了高功率/强度密度的特点。强度密度的特点。激光打孔激光打孔激光切割激光切割低能激光武器低能激光武器高能激光武器高能激光武器四、相干性好四、相干性好激光具有很好的相干性。在商业上用于广激光具有很好的相干性。在商业上用于广告、条形码、激光防伪等。告、条形码、激光防伪等。全息照相、全息存储等就利用了相干性好的全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。特点。VanVanUgtenUgten，他于，他于19661966年在世界上首次摄年在世界上首次摄得得眼全息图眼全息图。全息照相术全息照相术全息照片不用一般的照相全息照片不用一般的照相机，而要用一台激光器。激机，而要用一台激光器。激光束用分光镜一分为二，其光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，中一束照到被拍摄的景物上，称为称为物光束物光束；另一束直接照；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，到感光胶片即全息干板上，称为称为参考光束参考光束。物光束被物。物光束被物体反射后，其反射光束也照体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程。照相的摄制过程。用肉眼去看，全息照片上用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹。可只有些乱七八糟的条纹。可是若用一束激光去照射该照是若用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的片，眼前就会出现逼真的立立体景物体景物。更奇妙的是，从不。更奇妙的是，从不同的角度去观察，就可以看同的角度去观察，就可以看到原来物体的不同侧面。到原来物体的不同侧面。全息照相全息照相复复习习1、原子能级跃迁有哪几种形式？它们各自有何特征？2、什么是全同光子，它是如何获得的？3、为什么要粒子数反转，粒子数反转的必要条件是什么？4、什么叫亚稳态能级？简述三能级和四能级系统不同点。5、激光有什么特点？这些特点的形成机理是什么？6、激光产生的必要条件是什么？光学谐振腔有何作用？7、什么叫纵模？光学谐振腔是如何实现纵模频率的选择的？8、激光器由哪几部分组成?9、激光按工作物质和工作方式区分各由几种?