清华大学物理课件：激光.ppt

1,第七章 激 光（1）,2,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,前言,激光又名镭射 (laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。,(light amplification by stimulated emission of radiation),第 七 章 激 光,3,一. 特点：,方向性极好（发散角10 -4弧度）,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）, 空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。, 时间相干性好（10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,4,按工作方式分,连续式（功率可达104 w） 脉冲式（瞬时功率可达1014 w ）,三 . 波长：极紫外可见光亚毫米,(100 n m ） （1.222 m m ）,二 . 种类：,固体（如红宝石al2o3） 液体（如某些染料） 气体（如he-ne，co2） 半导体（如砷化镓 gaas） ,按工作物质分,5,7.1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发,由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：,6,若 e2 e 1，则两能级上的原子数目之比,数量级估计：,t 103 k；,kt1.3810-20 j 0.086 ev;,e 2-e 11ev;,7,但要产生激光必须使原子激发;且 n2 n1, 称粒子数反转(population inversion)。,原子激发的几种基本方式：,1气体放电激发,2原子间碰撞激发,3光激发(光泵),演示,8,7.2 自发辐射 受激辐射和吸收,一. 自发辐射(spontaneous radiation),设 n1 、n2 单位体积中处于e1 、e2 能级的原子数。,单位体积中单位时间内， 从e2 e1自发辐射 的原子数：,h,9,写成等式,21 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。,各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光 。,10,二受激辐射 (stimulated radiation),全同光子,设 （、）温度为时, 频率为 = (e2 - e1) / h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。,11,单位体积中单位时间内，从e e 受激辐射的原子数：,写成等式,b21受激辐射系数,12,w21 单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。,则,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 -有光的放大作用。,令 w21 = b21 （、t）,13,三 . 吸收(absorption),h,上述外耒光也有可能被吸收， 使原子从 e1e2。,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 e1e2 的原子数：,14,写成等式,b12 吸收系数,令 w12=12 ( 、t),w12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。,15,a21 、b21 、b12 称为爱因斯坦系数。,爱因斯坦在 1917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 获得激光奠定了理论基础。,没有实验家,理论家就会迷失方向。,没有理论家,实验家就会迟疑不决。,b21 = b12,16,六十年代初对发明激光有贡献的三位科学家。,1964年获诺贝尔物理奖。,巴索夫,普罗恰洛夫,汤斯,17,7.3 粒子数反转,一. 为何要粒子数反转 (population inversion),18, 必须 n2 n1（ 粒子数反转）。,因 b21=b12, w21=w12,要产生激光，就必须,19,he -ne 激光器中he是辅助物质， ne是工作（激活）物质； he与 ne之比为51 101。,20,电子碰撞,碰撞转移,21,he-ne激光管的工作原理：, 由于电子的碰撞,he被激 发(到23s和21s能级)的概 率比 ne 原子被激发的概 率大；, 在 he 的23s，21s这两个 能级都是亚稳态，很难回 到基态；,在 he 的这两个激发态上 集聚了较多的原子。, 由于 ne的 5s 和 4s态与 he的 21s和 23s态的能量 几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的 “共振转移”；,22,（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）, 正好 ne 的5s，4s是亚 稳态，下能级 4p，3p 的寿命比上能级5s，4s要短得多， 这样就可以形成粒子数的反转。, 在碰撞中 he 把能量传 递给 ne而回到基态， 而 ne 则被激发到 5s 或 4s;, 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，3 s态的 ne 原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁”而回到基态，这样可以及时减少3s态的ne原 子数，有利于激光下能级4p与3p态的抽空。,23, ne 原子可以产生多条激光谱线, 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、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。,24,7.4 增益系数,激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着,增益光的放大；,损耗光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。,激光形成阶段：增益 损耗,激光稳定阶段：增益 损耗,增益,损耗,25,一激光在工作物质内传播时的净增益,设0处，光强为i0, i,+dx i + d i,有 d i idx,写成等式 d i = g i dx,定义：增益系数 g (gain coefficient),26,即单位长度上光强增加的比例。,一般g不是常数。 为简单起见，先近似地认为g是常数。,27,二 . 考虑激光在两端反射镜处的损耗,i0 激光从左反射镜出发时的光强。,i1 经过工作物质后，被右反射镜反射 出发时的光强。,i0,全反射镜,部分反射镜,i1,i2 再经过工作物质，并被左反射镜反射 出发时的光强。,i2,r1、r2 左、右两端反射镜的反射率.,28,显然有 i 1 = r 2 i 0 egl,i 2 = r 1 i 1 egl,= r 1 r 2 i 0 e2gl,得,29, 在激光形成阶段,即 r1 r2 e2gl 1,或,须 i2 / i0 1,式中 gm称为阈值增益， 即产生激光的最小增益。,30, 在激光稳定阶段,即,光强增大到一定程度后,须 i2 / i0 = 1,在激光的形成阶段 g gm , 光放大， 怎麽光强不会无限放大下去？,在激光的稳定阶段 怎么又会g = gm ?,31,原因是实际的增益系数 g 不是常量,当 i 时，会 g。,这是由于光强增大伴随着 粒子数反转程度的减弱。 （负反馈）,当光强增大到一定程度，g下降到m时， 增益=损耗，激光就达到稳定了。,通常称,-为阈值条件( threshold condition),32,第七章 激 光（2）,（编者：华基美）,33,7.5 光学谐振腔 纵膜与横模,(optical harmonic oscillator),(longitudinal mode and transverse mode),激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。,7.6 激光器的纵膜与横模,34,光学谐振腔的作用：,1.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）；,3.使激光具有极好的单色性（选频）。,阈值条件为,对于可能有多种跃迁的情况， 可以利用阈值条件来选出一种跃迁。,选频之一：,35,我们可以控制 1、2的大小：,对 0.6328 m 1、r2大 gm 小(易满足阈值条件，使形成激光) ；,对 1.15 m 、3.39 m 1、2小 gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。,例如，氦氖激光器 ne 原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激辐射 光中, 只让波长0.6328 m的光输出。,36,设氦氖激光器ne原子的 06328 m受激辐射光 的谱线宽度为, 如图所示。, 1.3109 hz,对于单一的跃迁，还可以利用 选择纵模间隔的方法，进一步 在谱线宽度内再选频。,选频之二：,37,由于,为什么激光的谱线宽度会 小到 10-8？,取绝对值,38,由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，,所以有光程,( k=1、2、3、),k真空中的波长,n 谐振腔内媒质的折射率,39,可以存在的纵模频率为,相邻两个纵模频率的间隔为,数量级估计：,1； n1.0； c108 ms,40,而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为, =13109 hz,因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为,41,利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使 区间中只存在一个纵模频率。,比如缩短管长到 10 c，,即 l/10,42,于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出， 极大地提高了0.6328 m 谱线的单色性。,激光除了有纵向驻波模式外， 还有横向驻波模式。,43,小结：产生激光的必要条件,1. 激励能源（使原子激发）,2. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级）,3. 光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,基横模在激光光束的横截面上各点的 位相相同，空间相干性最好。,44,说明1 . 激光符合形成一个耗散结构 必须具有的五个条件:,1.开放系统 2.远离平衡态 3.涨落突变 4.正反馈 5.非线性抑制因素,45,说明2.,布鲁斯特窗起什么作用？,在光垂直入射时， 约有4%能量反射， 只有96%透射，,假如不是斜的布鲁 斯特窗，而是垂直 的窗，在反射镜之 间多次来回反射， 损失太大，（0.96）10=0.665，（0.96）50=0.130， （0.96）100= 0.019 , 根本形不成激光。,用布鲁斯特窗可以把接近50%的光（道）保留下来。 而且出来的激光是偏振的（道） 。,46,7.7 激光的特性及其应用,方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。,相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。,例激光光纤,由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级。,一根极细的激光光纤能 承载的信息量相当于图 片中这麽粗的电缆所能 承载的信息量。,通讯,47,粘视网膜,皮肤处理,例2 . 激光手术,48,诊断,观察,（普通光纤）,49,50,照明束(普通光纤) 照亮视场, 纤维镜（普通光纤） 成象, 有源纤维（强激光） 使堵塞物熔化, 附属通道 （可注入气或液） 排除残物以明视线, 套环 （可充、放气） 阻止血流或使血流流通,心脏手术（不需开胸，不住院）,51,例3激光 原子力显微镜(afm),用一根钨探针或硅 探针在距试样表面 几毫微米的高度上 扫描,来探测固体 表面的情况。,试样通常是 微电子器件。,探针尖端在工作时处于 受迫振动状态，其频率 接近于探针的共振频率。,52,探针尖端在受样品 原子的范得瓦尔斯吸 引力的作用时，其共 振频率发生变化，因 而振幅也随之改变。,为了跟踪尖端的振 幅情况，将一束激光 分成两束。,这两束光重新会合 后发生干涉。,其中一束通过棱镜反 射，另一束则穿过布 喇格室，然后从探针 背面反射回来。,53,可检测出尺度小至