2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子物理激光器.pptx

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1、量子物理激光器 能实现粒子数反转的物质，称为能实现粒子数反转的物质，称为激活介激活介质质或或工作物质工作物质要实现粒子数反转要实现粒子数反转激活介质激活介质激励能源激励能源激励激励(抽运抽运,光泵光泵)化学化学气体放电气体放电光激励光激励核能激励核能激励激活介质的特点激活介质的特点:存在寿命较长存在寿命较长(10(10-3-3s1s)s1s)的的激发态激发态亚稳态亚稳态.如：如：CO CO2 2激光器：激光器：(四能级系统四能级系统)h h 无辐射跃迁无辐射跃迁E E3 3E E1 1E E2 2亚稳态亚稳态E E4 4电抽运电抽运受激辐射方向是随机的受激辐射方向是随机的受激辐射受激辐射若有一

2、批原子处于高能态若有一批原子处于高能态(E Eh h)，则则 在一个入射光子在一个入射光子(h(h=E=Eh h-E-El l)的作用下，的作用下，会通过一系列受激辐射产生不断倍增的相同会通过一系列受激辐射产生不断倍增的相同的光子，的光子，光放大光放大(light amplification)(light amplification)作用作用实现了实现了光放大光放大。一对平行的反射一对平行的反射镜，镜面与激活镜，镜面与激活介质的轴线垂直介质的轴线垂直.激活介质激活介质全反全反射镜射镜部分部分反射镜反射镜激励能源激励能源激光激光输出输出光学谐振腔光学谐振腔 激光激光M M1 1M M2 2全反射

3、镜全反射镜部分反射镜部分反射镜M M1 1M M2 2反射镜构成反射镜构成光学谐振腔光学谐振腔.沿轴向传播的光，沿轴向传播的光，可在腔内来回反可在腔内来回反射，不断放大。射，不断放大。延长了工作物质（增强延长了工作物质（增强光放大光放大作用）作用）沿沿轴向轴向传播的光，可在腔内来回反射，传播的光，可在腔内来回反射，不断不断放大放大，而沿其它方向传播的光很快逸出。，而沿其它方向传播的光很快逸出。提高激光的提高激光的单色性单色性 光在腔内来回反射光在腔内来回反射,在谐振腔内形成在谐振腔内形成驻波驻波，两反射镜处必是波节两反射镜处必是波节,结果结果,只有半波长的整只有半波长的整数倍等于腔长的光才会在

4、腔内存在，数倍等于腔长的光才会在腔内存在，选频作用选频作用。谐振腔的谐振腔的作用作用：提高激光的提高激光的方向性方向性(沿轴线沿轴线)Notes:Notes:谐振腔的谐振腔的阈值条件阈值条件增益大于损耗增益大于损耗 即光在腔内来回一次所得到的即光在腔内来回一次所得到的放大放大(称为称为增益增益)，超过超过同一过程中光的同一过程中光的损耗损耗(吸收、散射等吸收、散射等)。若在谐振腔内加上一对若在谐振腔内加上一对布儒斯特窗布儒斯特窗，可得到偏振性极好的可得到偏振性极好的线偏振光线偏振光。e.g.e.g.外腔式外腔式He-NeHe-Ne激光器激光器电电 源源He,NeHe,Ne布儒斯特窗布儒斯特窗1

5、00%100%反射反射99%99%反射反射1%1%透射透射综上综上:产生激光必要条件：产生激光必要条件：激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发）激活介质（合适的能级）激活介质（合适的能级）光学谐振腔光学谐振腔(方向性方向性,光放大光放大,单色性单色性)粒子数反转粒子数反转主要组成部分：主要组成部分：激励能源、工作物质、谐振腔激励能源、工作物质、谐振腔激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光激光器的种类激光器的种类固体（如红宝石固体（如红宝石AlAl2 2O O3 3）液体（如某些染料）液体（如某些染料）气体（如气体（如He-NeHe-Ne，COCO2 2）半导体（如砷

6、化镓半导体（如砷化镓 GaAsGaAs）按工作物质分按工作物质分按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达10104 4 W W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达101014 14 W W ）激光器激光器激活介质激活介质举例举例 红宝石激光器红宝石激光器 (工作物质：工作物质：固体固体AlAl2 2O O3 3)E E2 2激发态激发态E E0 0基基态态h h E E1 1亚稳态亚稳态550.0nm550.0nm694.3nm694.3nm光抽运光抽运快衰变快衰变受激辐射受激辐射受受激激跃跃迁迁19601960第一台固体脉冲激光器第一台固体脉冲激光器 He He一一N

7、e Ne 气体激光器气体激光器 HeHe辅助物质辅助物质,NeNe激活物质激活物质,HeHe与与 NeNe之比为之比为71 71.激励办法：气体放电激励办法：气体放电1 13.39 m4 43 32 2632.8nm1.15mH He eN Ne e碰撞转移抽运抽运1.1.特点特点方向性极好方向性极好:发散角发散角10 10-4-4弧度弧度单色性极好单色性极好:1010-6-61010-9-9 nmnm小小相干性极好相干性极好是相干光是相干光亮度极高亮度极高:脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大,可达可达10 10 1414瓦瓦 激光的特性及其应用激光的特性及其应用2.2.应用应用方向性极好的强光束方

8、向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等准直、测距、切削、武器等相干性极好的光束相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等精密测厚、测角，全息摄影等 激光的应用激光的应用激光测距：激光测距：月月地距离误差地距离误差1010-2-2m m激光加工：激光加工：打孔、切割、焊接、表面处理打孔、切割、焊接、表面处理.激光医疗：激光医疗：激光手术刀，视网膜焊接，角膜激光手术刀，视网膜焊接，角膜切割，肿瘤诊断切割，肿瘤诊断(光动力学方法光动力学方法)，创伤愈合，创伤愈合，针灸、美容等针灸、美容等.军事：军事：激光制导激光制导,束能武器束能武器,激光致盲激光致盲.核技术：核技术：分离同位素分离同位素

9、,引发核聚变引发核聚变.信息技术：信息技术：光通信，信息存储，全息照相光通信，信息存储，全息照相.1.1.下面给出的条件中下面给出的条件中,哪些是产生激光的条件哪些是产生激光的条件 .（1 1）自发辐射）自发辐射 （2 2）受激辐射）受激辐射（3 3）粒子数反转）粒子数反转 （4 4）三能级系统（）三能级系统（5 5）谐振腔）谐振腔(2)(3)(4)(5)(2)(3)(4)(5)2.2.光光和和物物质质相相互互作作用用产产生生受受激激辐辐射射时时,辐辐射射光光和和照照射射光光具具有有完完全全相相同同的的特特性性,这这些些特特性性是是指指 .位相位相 频率频率 偏振态偏振态 传播方向传播方向3.

10、3.激光全息照相技术主要利用激光哪一优良特性？激光全息照相技术主要利用激光哪一优良特性？4.4.激光器中谐振腔的主要作用是激光器中谐振腔的主要作用是 .提高激光束的单色性和方向性提高激光束的单色性和方向性5.5.激光器的基本结构包括哪三个部分？激光器的基本结构包括哪三个部分？工作物质、激励源、谐振腔工作物质、激励源、谐振腔相干性好相干性好6.6.按工作物质划分按工作物质划分,激光器可以分为哪几类？激光器可以分为哪几类？气体激光器、固体、液体、半导体激光器气体激光器、固体、液体、半导体激光器7.7.按照量子理论按照量子理论,原子可以通过哪几种方式发光原子可以通过哪几种方式发光？激光是由什么方式产

11、生的？激光是由什么方式产生的？有自发辐射和受激辐射有自发辐射和受激辐射,激光由受激辐射产生激光由受激辐射产生8.8.按照原子的量子理论按照原子的量子理论,原子可以通过自发辐射和原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光受激辐射的方式发光,它们所产生的光的特点：它们所产生的光的特点：（A A）两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，）两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干原子受激辐射的光与入射光是不相干的的.（B B）-不相干不相干,-,-相干的相干的.（C C）-相干相干,-,-不相干的不相干的.（D D）-相干相干,-,-相干的相干的.(B)(B)激光冷却激光冷却原子原子技术技术朱棣文朱棣文19971997年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖吸收光子吸收光子原子原子