光与物质相互作用方式原理应用.doc

本科毕业论文 题 目： 光与物质相互作用调 研 院 （部）： 理学院 专 业： 光信息科学与技术 班 级： 光信 姓 名： 学 号： 完成日期： 山东建筑大学毕业论文 I 目 录 摘 要.III ABSTRACT.IV 1 前 言.1 1.1 发展背景 .1 1.2 光电子产业 .1 1.2.1 光电子技术的发展历程 .1 1.2.2 光电子技术的应用领域 .2 1.2.3 光电子技术的发展趋势 .3 2 光辐射量子理论基础.4 2.1 三种跃迁过程 .4 2.1.1 自发辐射 .4 2.1.2 受激吸收 .5 2.1.3 受激辐射 .5 2.2.爱因斯坦关系式 .6 3 激光原理及应用.9 3.1 激光原理 .9 3.1.1 激光产生的必要条件 .9 3.1.2 激光产生的充分条件 .10 3.2 激光器的基本结构 .11 3.2.1 激光工作物质 .11 3.2.2 泵浦源 .12 3.2.3 谐振腔 .12 3.3 激光器的分类和应用 .13 3.3.1 激光器的分类 .13 3.3.2 激光器的应用 .13 4 光电效应和康普顿效应的量子解释.16 山东建筑大学毕业论文 II 4.1 光电效应实验 .16 4.2 光电效应量子解释 .17 4.3 康普顿效应及其量子解释 .17 4.4 光电效应与康普顿效应的本质区别 .19 5 内光电效应.22 5.1 光电导效应 .22 5.1.1 光电导原理 .22 5.1.2 增益 .25 5.1.3 光敏电阻的应用 .26 5.2 光伏效应 .27 5.2.1P-N 结的行成.27 5.2.2P-N 结能带与接触电势差.29 5.2.3P-N 结光电效应.29 5.2.4 光伏效应参数及其关系 .30 5.2.5 光伏效应应用和发展 .31 总 结.33 谢 辞.34 参考文献.35 山东建筑大学毕业论文 III 摘 要 根据光子在能级间跃迁情况的不同，将光与物质相互作用分为三种不同的过程：自 发辐射、受激吸收、受激辐射。依据受激辐射原理，第一台激光器应运而生，激光的研 究及其在加工制造业、军事、医疗、民用等各个领域的应用得到了迅速的发展。根据电 子的状态的不同，光与物质相互作用会产生两种不同的效应：光电效应和康普顿效应。 当光子与束缚态的电子相互作用时，束缚的电子会吸收光子能量，逸出材料表面产生光 电效应；当光子与自由电子相互作用时，产生波长增长的现象，这就是康普顿效应。当 光照射半导体时，半导体内的载流子数量会增大，而引起电导率的变化，从而产生光电 导效应和光伏效应。光敏电阻就是光电导效应的应用。目前我国正加大光伏产业的发展， 太阳能电池的应用节约有限的传统能源，保护环境等。因此研究光与物质相互作用有重 要意义。 关键词：辐射理论；激光；光电效应；康普顿效应；光电子 山东建筑大学毕业论文 IV The Interactions between Light and Matter ABSTRACT According to the photon transition between different energy levels, we can divide the light and matter interaction into three different proprocessespontaneous emission, Stimulated absorption, Stimulated emission. Subject on the basis of the principle of stimulated emission of radiation, the first laser came into being; Laser researches and its application in the fields of processing, manufacturing , military , medical and civil are developing rapidly. The interaction between light and matter will produce two different effects in terms of the two different states of the electrons: Photoelectric effect and Compton effects. When a photon and the bound state electronic interaction, bound electrons will absorb the photon energy, and escape the surface of materials and then produce the photoelectric effect. When light irradiates the semiconductor, the number of semiconductor carrier will increase, caused by changes of conductivity, thereby producing photoconductive effect and the photovoltaic effect The Photosensitive resistance is a typical application of the photoconductive effect. At present, China is stepping up the development of photovoltaic industry, and the application of solar cells has brought us many advantages: saving the limited number of traditional energies and protecting environments. So the study of light interaction with matter is very important. Key Words: radiation theory；laser；photoelectric effect；Compton effect；photoelectron 山东建筑大学毕业论文 - 1 - 1 前 言 光学对人类社会的伟大贡献在于:20 世纪初期相对论和量子力学二个最重大的发现 都与光和光学相关。光学的研究和进展,特别是激光、光纤通信和光存储技术的发明,促 进了信息社会的形成。20 世纪,传统光学迈向现代光学,光子学和光子技术破门而出。 光与物质相互作用是光物理学的一个重要研究领域，是 21 世纪高技术光电子产业 发展所依托的一门基础学科。在光和物质相互作用方面 ,量子光子学和技术可能在未 来扮演越来越重要的角色。 1.1 发展背景 19 世纪末到 20 世纪初，光学的研究深入到光的发生、光与物质相互作用的微观机 制中。光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，特别是光电 效应。1900 年普朗克提出了辐射的量子论，从而成功的解释了黑体辐射问题，开始了 量子光学时期。1905 年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，提出光量子理论，圆满 解释了光电效应。 人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通 过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性。1924 年德布罗意创立了 物质波学说，这一假设在 1927 年被戴伟孙和革末的电子束衍射实验所证实。1925 年波 恩提出的波粒二象性的概率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。光和一切微观粒子 都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和粒子研究的发展，也推动人们去进一步探 索光和物质的本质。 1.2 光电子产业 1.2.1 光电子技术的发展历程 随着 1960 年激光器的出现，光电子技术有了一个强有力的研究武器，从而开始了 日新月异的发展。20 世纪 60 年代，光电子技术领域最典型的成就就是各种激光器的问 世。1960 年美国的梅曼研制出第一台激光器，此后在短短的几年时间里，各种激光器 相继问世，这些激光器为光与物质相互作用的研究提供了一个及其有效的工具。技术上 的突破引起了对光与物质相互作用过程研究的空前活跃，导致了激光物理学、半导体光 电子学、和相干光学等一系列新学科的涌现。20 世纪 70 年代，光电子技术领域的标志 性成果是低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟。这些重要突破导致以光纤通信、光 纤传感、光盘存储与显示以及光信息处理等为代表的光信息技术蓬勃发展。20 世纪 90 山东建筑大学毕业论文 - 2 - 年代，光电子技术在通信领域取得成功，并形成光纤通信产业：海底光缆铺设、各国新 铺设的通信骨干网分分实现光纤化，并向城域网发展。21 世纪，我们正在步入信息化 社会，信息和信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示提出严 峻挑战。随着现代科学技术的迅速发展，在空间科学、现代防御体系、生命科学等领域 中都拥有巨量信息，需要在有限的时间、空间，甚至实时的进行准确处理。以智能化超 高速计算机系统和全光网络为代表的超高速、超大容量信息处理和传输将成为未来信息 科学发展的两个重大方向。 1.2.2 光电子技术的应用领域 光电材料是整个光电产业的基础和先导。主要的光电材料系统包括 IIIV 族的化合 物半导体光电材料、有机半导体光电材料、无机晶体和石英玻璃等。目前，大多数商用 半导体光电器件由 GaAs 基, InP 基和 GaN 基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光 通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。 由光电材料制成的光电器件和产品正逐渐应用于信息产业的每一个重要环节，从信 息的获取、处理、传输到信息的存储和显示，信息产业对信息相关产品的高速、大容量、 高清晰、超薄和超轻的不断要求，推动者光电产业的持续高速发展，光电新产品和新技 术不断涌现。其中，光通信及其相关组件系统、光电显示和光存储是目前光电产业最主 要的三个应用领域。 在光通信产品与相关系统及其组件方面，国内外主要发展的光电产品和系统包括新 型的光纤光缆、10Gb/s 以上的超高速、大容量 SDH 光传输系统，密集波分复用 (DWDM)光纤通信系统、全光网络产品与系统、光有源器件（发送接收模块、光放大器、 激光器、探测器等） 、光无源器件（主要包括光纤连接器、光纤耦合器、光滤波器、波 分复用/解复用器、光栅、波导光开关、光衰减器和光隔离器等） 、光子集成(PIC)和光电 集成(OEIC)器件和模块。 在光电显示领域，以液晶显示(LCD)为主流的平面显示器件产品正逐渐蚕食传统的 CRT（阴极射线管）市场，2001 年世界平面显示器件产品的市场规模约 280 亿美元， 占据了整个显示市场的半壁江山。在光电平面显示器件和产品中，液晶已经渗透到显示 器件的每一个领域；等离子显示屏（PDP）在 42 英寸以上的大尺寸彩电已经实现商品 化并占据主导地位；有机电致发光显示器件也开始在手机、数码相机等小尺寸显示领域 得到应用。 半导体激光器的成功开发，使 CDROM、VCD 和 DVD 为代表的数字光盘成为当今 山东建筑大学毕业论文 - 3 - 多媒体信息时代不可缺少的存储技术之一，已广泛应用于计算机存储、数字家电、广播 电视、车载导航和电子出版等领域。光存储正沿着 CDDVD三维全息存储的方向发 展。 1.2.3 光电子技术的发展趋势 在光通信方面，由于 IP 业务的业务量爆炸性增长，以及 IP 业务与话音业务相比具 有突发性，不对称性，业务量增长不可预测性等显著不同的特点，基于传输话音业务的 传统骨干网络已越不越不能高效地传输 IP 业务，传统的光纤骨干网络面临着更新换代 的趋势。这注定未来光通信的发展趋势是：高速、大容量、灵活高效、更适合传送 IP 业务的光网络。目前已成为信息高速公路建设的首选方案和通讯领域的一大主流，被列 为 世界各国和跨国研究计划的重点项目。 光层上实现网络化。通过 OADM（光分插复用）和 OXC（光交叉联接）技术，构 成更灵活，更有效的光传输网络。从长远看，光分组网络或（IP over WDM）将成为未 来光网络发展的主流。从理论上讲，光分组网络是最有效，最简捷，最适合承载 IP 业 务的网络技术。随着光子技术的进一步发展，未来的光网络将最终会演化为面向 IP 业 务的光分组网络。 在光存储方面，超海量信息的快速存储与读出，决定了社会对信息资源的共享程度， 其发展目标为 TB 位元信息的存储系统。 针对日益增长的数据存储和处理需求，DVD 光盘正向单次写入(DVDR)和多次擦写 (DVDRAM)方向发展。与磁带存储相比，无论在存储容量，还是长期保存的可靠性来 说，DVDRAM 都具有无可比拟的优越性，其记录价格也比磁带记录方式便宜 1/3 以 上。 几年来，日本和美国的日亚、富士通和 HP 等单位相继报导了 GaN 蓝光激光器已 室温连续和脉冲激射。展望 TB 超海量存储的发展，无疑多层复用技术立体存储技术将 成为十分重要的技术方案。它是通过角度复用的全息干涉技术来实现的，程控扫描触发 的 VCSEL 面发射激光器集成面阵，是实现精密角度复用的最佳选择。 总之，光电子器件在军事和民用方面将得到更大的发展和广泛应用；互联网的发展 要求建立更完善的以光纤联接的数字综合服务网络；要进行高度并行运算的光子计算机 的研发必需大力发展光电子技术。光电子技术及其产业必将有高速的发展；它的发展必 将对我国的经济发展乃至人类产生深远的影响。 山东建筑大学毕业论文 - 4 - 2 光辐射量子理论基础 人类对光的认识经历了牛顿的微粒说，惠更斯菲涅尔的波动说，到爱因斯坦的光子 说的发展，最后才认识到波动性和粒子性是光的属性，即光具有波粒二象性。一方面光 是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。另一方面光是光子流，具有一定的 能量和动量。例如光的干涉、衍射等现象表现出光的波动性，而当光与物质相互作用时 表现出粒子的波动性，例如光的吸收、发射、光电效应等。1917 年，爱因斯坦在题为 关于辐射的量子理论的论文中首次提出了自发辐射和受激辐射的概念，如果将光看 做粒子，则光辐射场与物质相互作用，就产生粒子的跃迁过程，包括自发辐射、受激吸 收和受激辐射三种类型的跃迁。实际上，这三种跃迁过程中光与物质相互作用过程都属 于共振相互作用过程，即：光波频率等于原子谐振频率时，原子中电子的本征状态发生 改变的作用过程1。 2.1 三种跃迁过程 原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。 光与物质相互作用有三种不同的过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。这三种过程同 时存在并紧密联系，为使问题简化又不影响能级之间跃迁规律的普遍性，只考虑原子的 两个能级,。 1 E 2 E 2.1.1 自发辐射 在不受外界辐射场的影响 下，高能级上的原子自发地跃迁到低能级上，同 2 E 1 E 时辐射出一个 频率为光子，这一过程称 做自发辐射 ，如图 2.1。处于 h EE 12 高能级的原子何时自发辐射光子带有偶然性，它们没有固定的相位关系，各自的偏 振方向和传播方向也不相同，因此自发发射光是非相干光。白炽灯、日光灯、高压 水银灯、氙灯等普通光源都是通过自发跃迁辐射产生光是非相干光。 单个原子的自发发射情况是不确定的，但是大量原子的自发发射服从统计规律。 设一个原子系统，处于能级和上的粒子数密度分别为，.由于从高能级 2 E 1 E 2 n 1 n 自发跃迁到低能级的粒子数与成正比，则 2 E 1 E 2 n 2 212 dn A n dt （2.1） 山东建筑大学毕业论文 - 5 - 式中负号表示减少，比例系数称为自发发射爱因斯坦系数，其物理意义：单位时 2 n 21 A 间内从高能级自发跃迁到低能级的粒子数密度与能级上的总粒子数密度之 2 E 1 E 2 E 2 n 比，即：每个原子在单位时间内从能级自发辐射跃迁到能级的几率，对（2.1）式 2 E 1 E 两端积分得 （2.2） 21 22020 t A t nn en e 其中，为时，处于能级上的粒子数密度,称为自发发射寿命，物 20 nt=0 2 E 21 1 s A 理意义为：经过时间后，上的粒子数减少到初始值的。越大，则粒子在上 s 2 E 1 e s 2 E 停留时间越长，的能态为稳态，较大的能态为亚稳态。 s s 2.1.2 受激吸收 低能级上的粒子，在频率为的外场激励下，吸收能量为的光子并 1 E 21 EE h h 跃迁到能级上的过程叫做受激吸收，如图 2.2。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、 2 E 太阳等的发光）都是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子 中的电子吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个 “受激吸收”过程。 用受激吸收几率描述这一过程，即 12 W （2.3） 1 12 1 dn dt W n 不仅与粒子的本身性质有关，还与辐射场能量密度有下面的关系： 12 W （2.4） 1212 WB 式中，为爱因斯坦吸收系数，只与原子性质有关。 12 B 2.1.3 受激辐射 在频率为的辐射场的激励下，激发态原子从高能级跃迁到低能级 21 EE h 2 E 上，并辐射出光子，这种跃迁辐射叫做“受激发射”，如图 2.3。 受激辐射出来的光 1 E 山东建筑大学毕业论文 - 6 - 子 与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样，这种 相同性就决定了受激辐射光的相干性。入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，在跃 迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激 跃迁，因而又获得 4 个同样的光子。如此反应下去，在很短的时间内，辐射出来大量同 模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。雪崩就是受激辐射光的放大过程。受激辐 射光是相干光，相干光有叠加效应，因此合成光的振幅加大，表现为光的高亮度性。 用受激辐射几率描述这一过程，即 21 W （2.5） 2 21 2 dn dt W n 2121 WB （2.6） 式中，为受激辐射爱因斯坦系数。 21 B 图2.1自发辐射 图2.2受激吸收 图2.3受激辐射 2.2.爱因斯坦关系式 系数是原子本身的属性，与原子系统中原子数密度的分布状况无关。有 211221 ,ABB 两个特定能级,简并度分别为，。在热平衡条件下，两个能级上的原子密度 1 E 2 E 1 g 2 g 山东建筑大学毕业论文 - 7 - ，不随时间变化，因此 1 n 2 n 112221221 nWnAnW （2.7） 或 （2.8） 221212112 n BA nn B 得 （2.9） 21 1 1221 2 A n BB n 由玻尔兹曼分布公式 kT h kT EE ee gn gn 12 11 22 （2.10） 黑体辐射的普朗克公式为： （2.11） 3 81 3 exp1 h h c kT : 将（2.11）式与（2.10）式代入（2.9）式可得： （2.12） 21121 21212 11 hh kTkT BB g ee AB g 要使（2.12）式对任何的值均成立，必须系数分别相等，可得出爱因斯坦关系 h kT 式 （2.13） 33 8 2121 ABhc 1 122 21 g Bg B （2.14） 至此可以看出： （1）、三个爱因斯坦系数是相互关联的，它们之间存在着内在的联 21 A 21 B 12 B 系，不是相互孤立无关的。 山东建筑大学毕业论文 - 8 - （2）对于一定的原子体系而言，自发发射系数与受激发射系数之比于频率的三 次方，因而当能级差越大时，频率越大，的值就越大，这说 21 EE 21 EE h 21 21 B A 明自发辐射越容易，而受激辐射就越难。一般的，在热平衡条件下，受激辐射所占比率 很小，主要是自发辐射。 山东建筑大学毕业论文 - 9 - 3 激光原理及应用 自 1960 年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速 的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛 应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择激发，进行重金 属的同位素分离；激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业(大到航天器、飞 机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术)。随着激光器件、新型受 激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近 20 年来，激光制造技术已渗 入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。 3.1 激光原理 激光主要有三个特点，即方向性好，相干性好和亮度高，原因在于激光是光的受激 辐射，受激辐射产生的光子与引起发射的光子处于同一光子态，是相干光且有很高的简 并度，而普通光源是光的自发辐射。研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激 光器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。 要产生激光首先满足两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳 定的激光输出必须满足起振和稳定振荡两个充分条件。 3.1.1 激光产生的必要条件 1）粒子数反转 在热平衡条件下，、能级上的粒子数服从波尔兹曼分布，设，由 2 E 1 E 12 gg （2.10）式得 21 2 1 EEh kTkT n ee n 因为，所以。当时，此式表明在热平衡0 h kT 21 nn1000,10.6TKum 5 2 1 10 n n 条件下受激辐射增加的光子数远小于受激吸收减少的光子数，因而正常情况下看不到光 放大现象。为使受激辐射引起光子密度的增加大于因受激吸收引起光子密度的减少，即 ，当时，有，其意义为：能级上每个子能级的平均粒子数大于 21 nn 12 gg 21 21 nn gg 2 E 能级上每个子能级的平均粒子数。 1 E 山东建筑大学毕业论文 - 10 - 要达到粒子数反转分布，需要有一个机构将低能级粒子抽运到高能级，这种机构就 称为泵浦源。正是通过泵浦源的工作才使得某些具有特殊能级结构的介质发生粒子数反 转分布，形成激活介质。光射入介质时，入射光能密度通过介质被放大，这样光的受激 辐射在激活介质中占了主导地位，因此在工作物质中建立粒子数反转分布状态是形成激 光的必要条件。 2）减少振荡模式数 在反转分布能级间的受激辐射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工 作物质，不能形成强的受激辐射，如图 3.1。激光发出的光可以有很多频率，对应很多 模式，每一模式携带能量，不能形成单色亮度强的激光。欲使光束进一步加强，就必须 使光束来回往复通过激活介质，使之不断的沿某一方向得到放大并减少振荡模式数。为 解决这两个问题，我们可以在激活介质两端放置一对相互平行的反射镜，如图 3.2。由 于光束在腔内多次来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得 到筛选，特别是在沿腔轴方向，可以形成光强最强、模式数最少的激光振荡，而和轴线 有较大夹角方向的光束，经过多次反射，最后由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。 所以只有在谐振腔的轴线方向及其附近能够得到激光输出，谐振腔的侧面是打开的，只 起损耗作用2。 3.1.2 激光产生的充分条件 1）起振条件阈值条件 光在谐振腔内传播时，由于 R21，光在镜面上总有一部分透射损失，且镜面和腔 内激活介质总还存在着吸收、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波 才能被放大，从而在腔内振荡起来，即激光器必须满足某个条件才能起振，这个条件称 图 3.1 激活介质中的光放大图 3.2 谐振腔中光的振荡 山东建筑大学毕业论文 - 11 - 为振荡阈值条件。 2）稳定振荡条件增益饱和效应 当激光束往返经过激活介质时，激光的强度随传播距离 x 的增加而呈指数上升。激光 的强度却不会增大，理论和实践结果证明：当入射光强度够弱时，增益系数与光强无关， 是常量；而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减少，这种现象 叫做增益饱和效应。它是激光器建立稳定振荡过程的稳定振荡条件。 3.2 激光器的基本结构 根据激光产生的充分条件和必要条件，激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦 源和光学谐振腔。激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是产生激光的内因；泵 浦源提供能量激励，是形成激光的外因；谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激辐 射的强度、方向性、单色性进一步提高。 3.2.1 激光工作物质 当工作物质中形成粒子数反转分布时，工作物质处于激活状态，光在此介质中传播 时，就会获得放大作用，对外来的光而言就变成了放大器。工作物质是如何实现粒子数 反转的呢？ 如果激光产生只涉及原子的两个特定能级，可以证明用辐射方法不可能实现稳定情 况下的粒子数反转，只能达到光吸收和受激辐射相抵消。工作物质只有高能态和低能态 是不够的，至少需要一个亚稳态能级，它可以使得粒子在该能级上停留较长时间或较小 自发辐射概率，从而实现粒子数反转。 三能级系统的能级结构如图 3.3 所示，其中是基态，是亚稳态，是激发态。 1 E 2 E 3 E 在外界激励的作用下，粒子从能级跃迁到能级。由于的寿命很短，因而不允许 1 E 3 E 3 E 粒子停留，跃迁到的粒子很快通过非辐射跃迁到达能级。因为能级是亚稳态， 3 E 2 E 2 E 允许粒子较长时间的停留。于是，随着的粒子不断被抽运到，又很快跃迁到， 1 E 3 E 2 E 于是粒子在能级上大量积累起来，当一半以上的粒子被抽运到，就实现粒子数反 2 E 2 E 转分布。若有光子能量为的入射光，将产生光的受激辐射，发射与入射光 21 hEE 相同性质的光子，从而实现光放大。第一台红宝石激光器就是三能级系统的代表，但是 这种能级系统对泵浦能力要求很高。 山东建筑大学毕业论文 - 12 - 四能级系统能级结构如图 3.4，由于到、到的无辐射跃迁概率很大，而 4 E 3 E 2 E 1 E 到、到的自发跃迁概率很小。外界激发使上的粒子不断被抽运到，又 3 E 2 E 3 E 1 E 1 E 4 E 很快转到亚稳态，又留不住粒子，因而、很容易实现粒子数反转，产生受激 3 E 2 E 2 E 3 E 辐射。四能级系统很容易实现粒子数反转，激光阈值很低，因而大多数的激光器都是这 种结构3。 3 E 2 E 1 E1 E 4 E 3 E 2 E 1 E 3.2.2 泵浦源 由波尔兹曼公式可知，一般情况下介质处于粒子数正常分布状态，欲使粒子数发生 反转就必须用外接能量来激活工作物质。粒子从低能级进入高能级从而实现粒子数反转 分布的过程叫做泵浦。泵浦的方式很多主要有以下几种： 光激励方式：用一束自发辐射的强光或激光束直接照射工作物质，利用激光工作物 质泵浦能级的强吸收性质将光能转化成激光能。大多数固体激光器采用光激励方式，但 是效率不高。气体辉光放电或高频放电方式：采用气体放电中的快速电子直接轰击或共 振能量转移完成粒子数反转。气体激光器采用这种激励方式。直接电子注入方式：在半 导体内，通过电子与空穴的反转分布实现粒子数反转分布，半导体激光器利用这种激励 方式。 热激励、冲击波、电子数等都可以用来实现粒子数反转。工作物质的能级系统结构 决定了泵浦的方式。 3.2.3 谐振腔 谐振腔不仅限制了可能的模式数，同时还对激光的频率、方向、亮度及相干性等有 着重大影响。在实际的情况中，根据不同的应用场合及激光器类型，可以采用不同曲率、 不同结构的谐振腔。它们都是开腔，及侧面没有边界，这使得偏离轴线的模式不断耗散， 图 3.3 三能级系统结构图 图 3.4 四能级系统结构图 山东建筑大学毕业论文 - 13 - 以保证激光的定向输出。 3.3 激光器的分类和应用 3.3.1 激光器的分类 激光器的分类有很多，按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激 光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中每一类激光器 又包含了许多不同类型的激光器。按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功 率激光器。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有 几个毫瓦。如前所述的 He-Ne 激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石 激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。 3.3.2 激光器的应用 1）军事应用 激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。 根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器 系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有 化学激光器、固体激光器、 CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、 可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。 激光雷达工作在电磁波的光波段，以激光作为探测目标的工作物质。激光雷达是利 用激光激光先向目标发射探测信号，然后接受从目标反射回来的信号，并与发射信号作 比较，得到目标的位置和运动状态等信息，进而对目标进行探测、跟踪和识别。 由于激光雷达的波长短，具有普通雷达不具有的优点：分辨力高，一台孔径为 100mm 的 CO2 激光雷达可分辨 3KM 处相距 0.3m 的目标；波长短，抗干扰性强；激光 方向性好，光束很窄，因此它的隐蔽性好；激光雷达孔径为厘米级，它的体积小、重量 轻。 激光雷达能弥补微波雷达存在低空盲区易受电子干扰、测量精度不高等不足，甚至 能完成微波雷达难以完成的任务，因此激光雷达广泛应用于军事领域：导弹、飞机等目 标的姿态测定，导弹发射和飞机、炮弹等的跟踪测量；武器火控、跟踪识别、指挥引导 等。 2）激光焊接 激光焊接与大多数传统的焊接方法相比具有突出的优点。激光能量的高度集中和加 热、冷却过程的极其迅速，可破坏一些难熔金属表面的应力阈值，或使高导热系数和高 山东建筑大学毕业论文 - 14 - 熔点金属快速熔化，完成某些特种金属或合金材料的焊接，而且在激光焊接过程中无机 械接触，容易保证焊接部位不因热压缩而变形，还排除了无关物质落入焊接部位的可能； 如果采用大焦深的激光系统，还可实现特殊场合下的焊接，比如，由软件控制的需隔离 的远距离在线焊接、高精密防污染的真空环境焊接等；在不发生材料表面蒸发的情况下 可熔化最大数量的物质，达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具与方法很难或 完全不能做到的。目前，在汽车、国防、航空航天等一些特殊行业，已普遍采用激光焊 接技术。例如欧洲一些国家，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特 种材料的焊接，激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和方法。 3）医疗应用 1961 年，激光凝结治疗视网膜剥离手术开辟了激光医疗新航道。激光在医学上的 应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为： 激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。随着激 光在医疗领域的应用迅猛发展，到目前为止，激光器已经用于各种各样的治疗。 激光在医疗应用方面的效应分为激光热效应和激光光子能量的光化学效应两大类。 利用红外激光手术刀进行外科手术是激光热效应的典型应用，而光化学效应可用于紫外 激光诊断、治疗癌症等.波长为 10.6um 的 CO2 激光