大学物理激光2.ppt

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1、1960年年5月（美国）梅曼制成世界上第一台月（美国）梅曼制成世界上第一台激光器激光器我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密机械研究室王之江等几位同事共同实验研制的。机械研究室王之江等几位同事共同实验研制的。工作物质是红宝石晶体。工作物质是红宝石晶体。时间是时间是1961年年9月。月。激光是一种新光源，也是一门新激光是一种新光源，也是一门新兴的科学技术兴的科学技术1 激光的特点及应用激光的特点及应用一、激光的特点：一、激光的特点：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10-4弧度）弧度）空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是

2、相干光源。各个点都是相干光源。时间相干性好（时间相干性好（10-8埃），埃），相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好单色性好单色性好氦氦氖激光器发出的光波长氖激光器发出的光波长为为632.8nm,波长范围为波长范围为脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）亮度极高亮度极高能量集中能量集中二、激光的应用二、激光的应用激光加工、激光准直、激光测距、激光手术、激光武器、激光加工、激光准直、激光测距、激光手术、激光武器、激光核聚变激光核聚变.-方向性好和能量集中方向性好和能量集中激光测长、激光干涉、激光测流速、激光全息照象、激光测长、激光干涉、激光测流速、激

3、光全息照象、-激光相干性极好激光相干性极好激光通讯、数据处理、激光通讯、数据处理、-超短脉冲激光超短脉冲激光激光信息储存和光计算机：光计算机的运算速度可高达每激光信息储存和光计算机：光计算机的运算速度可高达每秒百亿次秒百亿次.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104 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W）固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）液体（如某些染料）气体（如气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）按工作物质分按工作物质分三、激光的种类：三、激光的种类：1、自发辐射、自发辐射:设设 N1、N

4、2 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。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：的原子数：E2E1N2N1h 2 激光的产生激光的产生一、光和原子的相互作用一、光和原子的相互作用写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。2受激辐射受激辐射:N2E1E2N1全同光子全同光子h 设设 （、）温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1

5、)/h附近，单位频率间隔的附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。外来光的能量密度。单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21=B21 （、T）3.吸收吸收:E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子上述外耒光也有可能被吸收，使原子

6、 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数：写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。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爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有

7、理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B12二、二、粒子数反转粒子数反转一一.为何要粒子数反转为何要粒子数反转:从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程。必须必须 N2 N1（粒子数反转）。粒子数反转）。因因 B21=B12 W21=W12产生激光必须产生激光必须 把把 的原子激发到高能态的原子激发到高能态 上去，这个过程叫激上去，这个过程叫激励，俗称泵浦。能实现粒子数反转的物质称为激励，俗称泵浦。能实现粒子数反转的物质称为激活物质。活物质。例例.He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激

8、光器的粒子数反转 三、激活物质的能级结构三、激活物质的能级结构反射镜反射镜反射镜反射镜毛细管毛细管阳极阳极阴极阴极布氏窗布氏窗外腔式外腔式He一一Ne 气体激光器气体激光器 He-Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质，激活物质，He与与 Ne之比为之比为51 1011。电子碰撞电子碰撞碰撞转移碰撞转移亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态3P4P2P3S5S4S20.66eV19.78eV20.30eV18.70eV16.70eVHe-Ne激光管的工作原理：激光管的工作原理：由于电子的碰撞由于电子的碰撞,He被激发被激发(到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级)的概率比的

9、概率比 Ne 原子被激发的概率大；原子被激发的概率大；在在He 的的2 23 3S，2 21 1S这两个能级都是亚稳态，这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；很难回到基态；在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量几乎相等，当两种原子相碰时非常能量几乎相等，当两种原子相碰时非常 容易产生能量的容易产生能量的“共振转移共振转移”；（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）还要设法减少下能级的粒子数

10、）正好正好Ne的的5 5S，4 4S是是亚稳态，下能级亚稳态，下能级 4 4P，3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S，4 4S要短得多，要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，而回到基态，而而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S；放电管做得比较细（毛细管），可使原子放电管做得比较细（毛细管），可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 3 S态态 的的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态，而回

11、到基态，以及时减少以及时减少3 3S态的态的Ne原子数，原子数，有利于激光下能级有利于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条:06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。之间发生的，因此较易实现粒子数反转。四、光学谐振腔四、光学谐振腔 纵模与横模纵模与横模全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激励能源激励能源激光器有两个反射镜，激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。它们构成一个光学谐振腔。光学谐

12、振腔的作用：光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。使激光具有极好的单色性（选频）。设氦氖激光器设氦氖激光器Ne原子的原子的06328 m受激辐射光受激辐射光的谱线宽度为的谱线宽度为 ,如图所示。如图所示。1.3 109 Hz 0I激光的纵膜激光的纵膜由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有光程所以有光程(k=1、2、3、)k真空中的波长真空中的波长n 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率Lk=1k=2k=3 可以存在的纵模频率为可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为谱线的宽度为 =13109 HZ因此，在因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为纵模越多，单色性越差，选模措施纵模越多，单色性越差，选模措施以输出单纵模以输出单纵模IO012345678