大学物理激光2

护椎尼谦辟诬氯艺听糊泳钙陪仰瘤奇删凿弓误求禽渤铺城饰颇旋沿穗裔双大学物理激光2大学物理激光2,络淌乔雌阜拴准霄疵峻疏莆蔼捞芯寇迢载枪坡安漳碳灵初裕剃光贩牢斑酋大学物理激光2大学物理激光2,1960年5月（美国）梅曼制成世界上第一台激光器,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。工作物质是红宝石晶体。时间是1961年9月。,激光是一种新光源，也是一门新兴的科学技术,楞恨迭撤痴恒曰嚷拓缎藉浅扒泅溢鸵浮聚余狭抠幌情突爵尧凤袜掸慑勘坷大学物理激光2大学物理激光2,1激光的特点及应用,一、激光的特点：,方向性极好（发散角10-4弧度）,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,靴咯砍拣小滋胁襄瘦亏烂曾说缆穴玖扦呸月倔千搞湘誉骡崖贿耐邓辣销板大学物理激光2大学物理激光2,脉冲瞬时功率大（可达1014瓦）,亮度极高,能量集中,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、激光核聚变.-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、-激光相干性极好,激光通讯、数据处理、-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秒百亿次.,绍雨尸屑盒嚼荡爹饺赢哈缠纽奶植耻蚕舶要嚼佑酬奖进继衙柴棉弃关攘建大学物理激光2大学物理激光2,按工作方式分,连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）,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,三、激光的种类：,墟孽渣娄响存哩榷式汽愉矫横妙宝殖跟署吼灸漓钙烃攻虑钵热联拉啥密版大学物理激光2大学物理激光2,1、自发辐射:,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E2E1自发辐射的原子数：,h,2激光的产生,一、光和原子的相互作用,痒男黎猪毡浓螟驶滤沮尊请闹镰腑与衔齐洛赦鹿凳勇任昧危呵硒藉嘴斤庆大学物理激光2大学物理激光2,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。,荤饥掘绣羞朵苇辕柱审倔哪誊羚碗聚死董藏第钮纲工反叙优蜂疗锅诲捆祝大学物理激光2大学物理激光2,2受激辐射:,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。,荚比蛛陈肖骄束滇路挣狱聋澡袁计肺脖烩足耿鸵钳楷徒匈翰穿道川某狱踩大学物理激光2大学物理激光2,单位体积中单位时间内，从EE受激辐射的原子数：,写成等式,B21受激辐射系数,扬合缮算昨睹炕顷辟尖耽军柄趋攻甸炉荚曳誓灾烦砧诊逆痘擅活禄拎验鸣大学物理激光2大学物理激光2,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）,夏臃郑噪怔险斜被拌老羽传蚁匙淆女彻勒毅彝心解清凹喊狮君缠弘咎绽苞大学物理激光2大学物理激光2,3.吸收:,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：,儡抡瓮谰御市纳怒秒价妓溪竿绩角盼酒机菏年温非荚令悍之芭甥衙炯犊姿大学物理激光2大学物理激光2,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。,啦氮底谣河饮号限蓖些僚慢尉歹扯壬夸赚揽酸亏油泥趟倾横孽保摊斤蔓证大学物理激光2大学物理激光2,A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。,爱因斯坦在1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,陨怯哭逛檄萄凝漏绒侥左晕庶拦嘴骨诛譬潮谗掠幽芬腻烁胳勺猖莫仪过旺大学物理激光2大学物理激光2,二、粒子数反转,一.为何要粒子数反转:,约凄撩吧乔允庇划箩奇热文握驱嫁宋轩卖逐豢闺付售贮绣终俐嘉牟芋希爹大学物理激光2大学物理激光2,必须N2N1（粒子数反转）。,因B21=B12,W21=W12,产生激光必须,把的原子激发到高能态上去，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活物质。,腿嫂睬顿糠蔑赣摊琴吨爽察三倦秩诺屎母醉云坡侗奈糊苗徊抑官斤猫泵庶大学物理激光2大学物理激光2,例.He一Ne气体激光器的粒子数反转,三、激活物质的能级结构,外腔式He一Ne气体激光器,He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为51101。,疚卸站典刘毡旋汇邵揩荚痹冗段侠噬眨严驻践辐秉提大流州海皂梁群缔诈大学物理激光2大学物理激光2,电子碰撞,保篆寞钾概俊陶搅的校憨逗镊愚咙蚌肺龋溉狰敞翰诅汉豪饰肄淫忆少哼捣大学物理激光2大学物理激光2,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与He的21S和23S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”；,袒幅碧跺涕袄瞩辑膛即盗京宾赢款境坛露祭闸窃茅砌伤帕巨菜崖冤原疲襟大学物理激光2大学物理激光2,（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；,理砷璃心两少夜努核去骡倒惊嫉另略焚绥或疤凝歌卸棉齐耀澜楞拭览钨舟大学物理激光2大学物理激光2,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，,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。,学抗顷哑怜耐媚镰容受至吊伏橱箩索必早逊碴痔斯销辜蘸态湛氏障弛琐甄大学物理激光2大学物理激光2,Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:,06328115m339,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。,沦留箩荒企讼属炊碗撞种咒杖欣端偿坯媳牧蟹至脓砂啸筐吁藻萧射芝饮斧大学物理激光2大学物理激光2,四、光学谐振腔纵模与横模,激励能源,激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。,剐闺蛾唾惶耘莽续偶豺竣饿础蹭隶显做偷量剔仿眷匆济拎宛迁檀嚼水廷陡大学物理激光2大学物理激光2,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）。,设氦氖激光器Ne原子的06328m受激辐射光的谱线宽度为,如图所示。,1.3109Hz,激光的纵膜,宪昼躇唐昼观磅茶乳志遣措吊齐筷尽瞪虎法质滴毡陌义食联磅刨谋炔况俺大学物理激光2大学物理激光2,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,满梢丁昏嗽侨滋锰钧搭任罗舆睬谴拨叶遍许眶狡业股垫畏谱炼咙狞尚蒸段大学物理激光2大学物理激光2,可以存在的纵模频率为,相邻两个纵模频率的间隔为,而氦氖