光与物质的相互作用激光.ppt

一 光电效应 光电子 光电效应 实验装置 2光的粒子性 饱和光电流强度im与入射光强I成正比 1 实验规律 这表示单位时间内从阴极发出的光电子数目与光强成正比 7 只有当入射光频率v大于一定的频率v0时 才会产生光电效应 0称为该金属的截止频率 或红限频率 8 V0 K C 与入射光强无关 光电子的最大初动能为 截止电压 光电效应是瞬时发生的 时间不超过10 9s 2 爱因斯坦的光子假说对光电效应的解释 经典物理学所遇到的困难 光波的能量分布在波面上 阴极中电子积累能量克服逸出功需要一段时间 光电效应不能在瞬时发生 普朗克的量子假定还不够 它只涉及发射或吸收时振子能量不连续 未涉及在空间传播的辐射场的能量 9 按照光的经典电磁理论 光波的强度与频率无关 电子吸收的能量也与频率无关 不应存在截止频率 电磁辐射的能量在空间不是连续分布的 而是由能量量子 光子 组成 每个光量子的能量为 爱因斯坦光量子假设 1905 h 对光电效应的解释 显然 当h A时 不发生光电效应 红限频率 光电效应的意义 光量子具有 整体性 在以光速运动时 不瓦解 且只能整个地被吸收或发射 10 A是阴极材料的脱出功 电子吸收一个光子能量h 从阴极逸出而成为光电子 其最大动能为 A Einstein 1921 NobelPrize 在普朗克获博士学位五十周年纪念会上普朗克向爱因斯坦颁发普朗克奖章 二 光的波粒二象性康普顿效应 1 光的波粒二象性 光的性质 波粒二象性 在有些情况下 光突出显示波动性 粒子不是经典粒子 波也不是经典的波 基本关系式 粒子性 能量 动量p 波动性 波长 频率 而在另一些情况下 则突出显示粒子性 11 整体性 弥散性 可叠加性 2 康普顿效应 康普顿 Compton 研究X射线在石墨上的散射 实验规律 电子的Compton波长 康普顿效应的特点 12 康普顿的解释 X射线光子与 静止 的 自由电子 弹性碰撞 碰撞过程能量守恒 动量守恒 解得波长偏移为 康普顿散射实验的意义 康普顿效应验证了光的量子性 经典电磁理论的困难 13 e A H Compton 1927 NobelPrize 激光 laser 也音译为镭射 它的意思是 辐射的受激发射的光放大 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 或者说 受激辐射的光放大 3激光 1916 Einstein 关于受激辐射的理论 40 50年代 观测到受激辐射 1954 Townes做成微波激射器 maser 1960 Maiman做成第一台激光器 红宝石 1960 1962 连续工作的He Ne气体激光器 14 一般性质 方向性极好 发散角 10 4弧度 脉冲瞬时功率大 可达 1014瓦以上 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 特点 波长范围 极远紫外 可见光 亚毫米 100nm 1 222mm X激光 15 按工作方式分 连续式 功率可达104W 脉冲式 瞬时功率可达1014W 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 一 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 16 若E2 E1 则两能级上的原子数目之比 数量级估计 T 103K kT 1 38 10 20J 0 086eV E2 E1 1eV 17 要产生激光 必须使大量原子激发 在两能级间形成N2 N1 这称为粒子数布居反转 populationinversion 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 光泵浦 激光器中必须有激发装置 能源 提供能量 二 自发辐射受激辐射和受激吸收 1 自发辐射 spontaneousradiation h 18 设N1 N2为单位体积中处于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 21 自发辐射系数 一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互相独立的 相位上随机的 或者说是互不相干的 19 2 受激辐射 stimulatedradiation 全同光子 设u 代表温度为 时 频率为 E2 E1 h附近单位频率间隔的外来光的能量密度 单位体积中单位时间内 从E E 受激辐射的原子数 20 写成等式 B21 受激辐射系数 W21 一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 相位 偏振方向及传播方向均相同 有光的放大作用 令W21 B21u T 21 3 吸收 absorption h 上述外耒光也有可能被吸收 使原子从E1 E2 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1 E2的原子数 写成等式 B12 吸收系数 令W12 12u T 22 A21 B21 B12称为爱因斯坦系数 爱因斯坦在1916年从理论上得出 下册p 300 p 301 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 W12 一个原子在单位时间内发生吸收过程的概率 23 三 粒子数反转与光放大 1 为什么需要粒子数反转 必须N2 N1 粒子数反转 因B21 B12 W21 W12 要产生激光 必须 24 2 实现粒子数反转的实例 例 He一Ne气体激光器的粒子数反转 He Ne激光器中 He是辅助物质 Ne是激活物质 He与Ne之比为5 1 10 1 Ne原子某些能级之间可形成粒子数反转 其原因在于合适的能级结构 25 电子碰撞 碰撞转移 He Ne原子部分能级图 26 He Ne激光管中实现粒子数反转的原理 要形成粒子数反转 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 Ne的5S 4S是亚稳态 寿命较长 但下能级4P 3P 也是激发态 的寿命很短 假如设法使很多Ne原子处于5S或4S 就可能在5S 4P 5S 3P 4S 3P形成粒子数反转 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 3S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 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 怎样将大量Ne原子激发到亚稳态5S和4S呢 27 因Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等 当两种原子相碰时很容易发生能量的 共振转移 在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态 同时Ne被激发到5S或4S 气体放电 用电子碰撞来激发原子 但是Ne原子被激发的概率很小 而He被激发 到23S和21S能级 的概率则大得多 He的23S 21S这两个能级都是亚稳态 很难回到基态 于是在He的这两个激发态上容易聚集较多的原子 Ne原子可以产生多条激光谱线 图中标明了最强的三条 0 6328 1 15 m 3 39 它们都是从亚稳态到非亚稳 非基态之间发生的 因此较易实现粒子数反转 28 四 增益系数 激光器内受激辐射光来回传播时 并存着增益和损耗 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 在激光形成阶段 增益 损耗 在稳定工作阶段 增益 损耗 1 激光在工作物质内传播时的净增益 设x 0处 光强为I0 29 即单位长度上光强增加的比例 相对增长 一般G不是常数 为了简单 先近似认为G是常数 xI x dxI dI 有dI Idx 写成等式 dI GIdx 定义 增益系数G gaincoefficient 得 30 2 考虑激光在两端反射镜处的损耗 I0 全反射镜 部分反射镜 I1 I2 R1 R2 左 右两端反射镜的反射率 显然有I1 R2I0eGL R1R2I0e2GL I2 R1I1eGL 在激光形成阶段 要求I2 I0 1 即R1R2e2GL 1 或说 于是 31 式中Gm称为阈值增益 即产生激光的最小增益 在激光稳定阶段 光强增大到一定程度后 有I2 I0 1 即 通常称为阈值条件 为什么光强不会无限放大下去 原因是实际的增益系数G不是常量 当I增大时 粒子数反转程度会减弱 使G降低 负反馈 当增益系数G降到G Gm时 就稳定下来 32 五 光学谐振腔纵模与横模 opticalharmonicoscillator longitudinalmodeandtransversemode 激光器有两个反射镜 它们构成一个光学谐振腔 33 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 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 例如 若希望氦氖激光器只输出波长为0 6328 m的激光 我们可以控制反射镜的R1 R2 使反射镜只对这种波长反射率高 易满足阈值条件 而另两个波长的光 红外 不能放大 34 例如 氦氖激光器 设Ne原子的0 6328 m受激辐射光的谱线宽度为 如图 1 3 109Hz 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 然而 利用谐振腔 实际上激光的谱线宽度可以小到 10 8 这是为什么呢 35 光学谐振腔两端反射镜处必是驻波的波节 所以腔长L必为半波长 2的整数倍 换用真空中波长 n 得 k 1 2 3 k 真空中波长 n 谐振腔内媒质的折射率 这就是谐振腔沿长度方向 纵向 的第k个简正模式的波长 这些简正模称为纵模 36 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 n 1 0 c 108m s 氦氖激光器0 6328 m谱线宽度为 1 3 109Hz 因此 在 区间中 可以存在的纵模个数为 37 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 单模输出 比如 若管长L缩短为10c 即L L 10 则 k 10 k 在 区间中 可能存在的纵模个数为 1 于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出 极大地提高了实际0 6328 m谱线的单色性 L 100cm L 10cm 38 激光除了有纵模外 还有横向驻波模式 小结 激光器基本组成部分 产生激光的条件 激励能源 提供能量 使原子激发 工作物质 有合适的能级实现粒子数反转 基横模在激光光束的横截面上各点的相位相同 空间相干性最好 光学谐振腔 方向性 光放大 单色性 39 六 激光的特性及其应用 1 光束方向性极好 以下特性是激光获得广泛应用的基础 2 时间相干性 单色性 极好 3 空间相干性极好 4 光强度极大 短时 局域 5 超短脉冲 精细聚焦 以下的各种技术应用或研究领域 主要利用激光的什么特性 准直 定位 测距 测速 精密测厚 测角 加工 全息术 非线性光学 集成光学 医学 生物学 化学 中的应用 光通讯 光纤通讯 光盘信息存取 军事上的应用 40 例 激光光纤通讯 由于光波的频率比无线电波的频率高好几个数量级 一根极细的光纤能承载的信息量 相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量 一些例子 41 例2 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反复移动 来探测固体表面的情况