大学物理-量子物理：神奇的激光1

1、讲座：神奇的激光,提纲 原子的激发与辐射 激光产生原理 激光的技术应用,引 言,什么是激光,英文名字：Laser即“light amplification by stimulated emission of radiation”“受激辐射光放大”，简称“激光”。是一种新型光源。 激光与普通光源比较，从发光机制到特性都完全不同。其性能之优越，普通光源无法相比,主要特性：高方向性（发散角10万分之一弧度，几乎平行；高亮度（最高可达太阳表面亮度的100万亿倍）；高相干性（相干长度达数百公里）；高单色性（,各类激光器中，输出功率低至10-6W，高至1012W,各类激光输出波段宽：可见；紫外；近红外；远

2、红外,激光工作物质广泛：固体（包括半导体）；液体；气体,激光技术是60年代初发展起来的高新技术。60年代以来，激光技术发展极为迅速，现成为新的工业革命的先导之一，在工业、农业、医学、军事、科研等各个领域有广泛应用,激光核聚变实验装置,肖洛,汤斯和肖洛在一起，右上角是最早的激光器,激光为什么会有如此神奇的威力？如何得到激光？本讲座将介绍激光的基本知识，首先从原子发光的机理谈起,1 原子的激发与辐射（激光理论基础,激光虽然于60年代才问世，但其物理基础却在此前40多年就由爱因斯坦建立。其核心内容：是受激吸收、自发辐射、受激辐射三个基本概念,一、受激吸收,在辐射场（光）作用下，当,有些原子会吸收 能

3、量从低能级 跃迁到高能级 ，这种过程叫受激吸收或激发,设 为频率 的入射光能量密度。 时间内从 跃迁的原子数,称为吸收速率,吸收速率,即单位时间内，原子从 跃迁到 的几率（对大量原子而言是百分比,二、自发辐射,激发态原子不稳定，会自发地从高能级,向低能级 跃迁，多余的能量以光的形式发出。这种过程称为自发辐射,时间内从 跃迁的原子数,称为自发辐射系数。即一个原子在单位时间（每秒）内从 的跃迁几率,自发辐射特点,各原子发光自发独立，与外界作用无关；非相干光，发射方向、位相、偏振状态、频率等随机混乱。“乌合之众”。普通光源的发光机制,三、受激辐射,爱因斯坦1917年提出受激辐射概念,当原子处于能量密

4、度为 的外来光场中，除了一些原子吸收 光子从,外，还有一些原子会在外来光子刺激下，从高能态 跃迁至低能态,在外来光子刺激下，原子从高能态 跃迁至低能态，同时辐射一个与外来光子完全一样的光子（频率、位相、偏振态、传播方向全同）。这种过程叫做受激辐射,时间内从 跃迁的原子数,称为受激辐射速率,即一个原子在单位时间（每秒）内从 受激跃迁几率（百分比,受激辐射系数,受激辐射特点,辐射光子与入射光子全同，相干光,光放大：在一个光子作用下，获得大量状态全同的光子，该现象称之光放大,一个光子刺激原子，产生两个全同光子，两个光子刺激其它原子又产生四个全同光子,如果能提供适当条件，实现光放大，就获得了激光。 所

5、以，受激辐射激光产生机制,普通光自发辐射,步调一致”“战斗集体,自由散漫”“乌合之众,激光受激辐射,四、吸收与辐射之间的平衡关系,光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒子数保持不变（比方：各楼层人数不变，上下人数同,光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒子数保持不变,统计物理证明,如果打破平衡，使受激辐射占主导，产生激光；自发辐射占主导，普通光,2 激光产生原理,产生激光的关键：使受激辐射占优势。 两个主要手段：实现粒子数反转；谐振腔,一、粒子数反转,一）什么是粒子数反转,平衡时，粒子数服从波耳兹曼分布,绝大多数粒子处于基态,受激吸收占优势时，光减弱； 受激辐射占优势时，光放大

6、,比较,例如,自发,受激,很小,所以，通常情况下，基本上是受激吸收与自发辐射两种过程。（普通发光机制,如果使 ，则有 ，受激辐射主导,粒子数反转（非平衡,激光机制,正常情况下（平衡），不会出现光放大，得不到强相干光,采用特殊手段，破坏原有的 热平衡分布，使高能级粒子数大于低能级粒子数即 ，则,这种高能级粒子数（ ）大于低能级粒子数（ ）的非平衡粒子数分布称为粒子数反转,二）粒子数反转实现条件,内因+外因,1）工作物质有合适的能级结构,选择合适的工作物质，使之在较长时间内维持反转状态，为光放大创造条件。（良好透明性，有亚稳态,2）外界激励（抽运，泵浦,合适的能量输入系统，使原子不断地由低能态向高

7、能态转化。这种转化过程称为激励,激励方式：光激励、气体放电激励、化学激励等,激励,内因,外因,粒子数反转,三）实现粒子数反转的原子能级系统（有亚稳态,1）不能在二能级之间实现反转,考察 上粒子数变化,稳定时,所以，不能在两能级之间实现反转，必须在工作物质中使用三个以上能级,2）三能级系统,如红宝石，即掺 的 ，在工作物质中起作用的是 离子。其中使用了三个特殊能级,稳定时,基态,亚稳态,激发态,激励（脉冲氙灯强光照射,原子停留时间短,停留时间长,快跃迁,慢跃迁,粒子数积累,激励,强光照射， 从 ，很快从 ；在 寿命长，从 慢；粒子在 积累， ，结果在 之间实现反转，发 激光,与基态反转,能级如下

8、,基态,亚稳态,激发态,激励（脉冲氙灯强光照射,原子停留时间短,停留时间长,快跃迁,慢跃迁,粒子数积累,激励,与基态反转,缺点,与基态实现反转困难大，原因是大多数粒子易处于基态，反转须强激励。红宝石激光效率仅0.1,四能级系统能克服上述缺点,3）四能级系统,寿命短,寿命短,亚稳（积累粒子,快,慢,很快,基态,激励,亚稳态,避免了与基态反转,指出,上述能级图并非真实能级系统，只是抽象概括而已,还可能存在多能级反转情况,二、光学谐振腔及其作用,一）什么是光学谐振腔,仅有工作物质实现反转，还不能获得激光,原因：受激辐射初始光信号来源于自发辐射，每个自发辐射的光子都可能作受激源刺激光放大。但这些受激源

9、杂乱，频率、相位、传播方向、振动方向均不相同。整体而言，不能获得激光（尽管每个光子都产生光放大,获得激光，必须设计一个装置，留住一个方向光放大，抑制其它方向光放大信号,使某方向和一定频率的光进行光放大，而抑制其它方向和频率的光的装置叫光学谐振腔,光学谐振腔结构：工作物质两端反射镜构成,获得激光，必须设计一个装置，留住一个方向光放大，抑制其它方向光放大信号,最简单的是平行平面谐振腔，还有凹面镜-凹面镜、凹面镜-平面镜谐振腔,最简单的是平行平面谐振腔，还有凹面镜-凹面镜、凹面镜-平面镜谐振腔,工作物质,二）光学谐振腔作用,1）选向作用（高方向性,轴线的光放大，其它方向的光淘汰。输出光沿轴线,2）光

10、学反馈、光振荡（高亮度,沿轴线光子来回反射，不断进行光放大（雪崩式）。部分反射镜：输出激光；部分反射来回振荡,3）选频作用（高单色性和高相干性,方法一：反射镜上反射膜使所需波长反射干涉加强，其它波长干涉相消,方法二：设计腔长 ，所需波长形成稳定驻波振荡，其它波长无稳定驻波而淘汰,激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式（横模,三）阈值条件,有工作物质和谐振腔，还不一定出激光。 原因（1）谐振腔内有各种损耗，如腔镜面上吸收、散射、透射和衍射等损耗；（2）还有工作物质不均匀引起散射、透射、折射、衍射等损耗,如果光放大增加的光子数（增益） 损耗，振荡便不能维持，无激光输出,因此，介质长度和反射系数

11、必须满足一定条件才输出激光。这种条件称为阈值条件,所以，产生激光的条件：（1）实现粒子数反转（工作物质合适能级结构，外界激励）；（2）谐振腔；（3）满足阈值条件,三、激光器组成系统,三部分组成： （1）工作物质； （2）光学谐振腔； （3）激励源（泵浦系统,粒子数反转,四、激光器种类,激光器品种繁多，分类及名称复杂。同一激光器，由于分类依据不同，有不同名称。大致有按工作物质种类、泵浦系统、激光输出方式、波长长短等分类方式,一）按工作物质分类,固体激光器,工作物质为固态，由激活离子（发光中心，如 ）和基质（各种晶体或玻璃）两部分组成,原子气体激光器 氦氖激光器，碘原子激光器，金属蒸汽激光器（Cu

12、、Cd,分子气体激光器,离子气体激光器,氩离子、氪离子等,液体激光器,工作物质为液态,有机染料激光器；无机液体激光器（掺钕,气体激光器,工作物质为气体,钕玻璃激光器 1060nm；红宝石激光器,掺钕钇铝石榴石激光器,二）按工作方式分类,连续式（功率可达104 W,脉冲式（瞬时功率可达1014 W,三）按波长分类,极紫外可见光亚毫米,100 n m ） （1.222 m m,半导体激光器,工作物质为半导体,GaAs（砷化镓）、锑化铟、硫化镉,特点：体积小、重量轻、结构简单、携带方便、寿命长（10万小时,3 激光的技术应用,激光由于其发光机制与普通光源不同，具有普通光源无法比拟的优点。激光技术已成

13、为一门实用化的高技术,一、激光的特性,1）高亮度、能量高度集中,太阳表面亮度为 。目前激光最大亮度为,立体角,是太阳的100万亿倍,2）高方向性,日光灯,普通光源四面八方发光，只照周围,需要光学系统（聚焦镜）得到定向光柱（车灯、手电、探照灯），但距离有限,激光器由于谐振腔选向作用，输出光几乎平行，发散角 ，可以照到月球上,4）高相干性,最好的普通光源单色光,由于谐振腔选频作用，激光谱线宽度极窄。He-Ne激光 ，经稳频后 ，是普通色光,3）高单色性,相干性与单色性一致,空间相干性：光源各点发光相位恒定，不同激光源可相干,时间相干性：相干长度几十公里到数百公里，干涉图样十分,清晰,普通光中最好的

14、氪灯相干长度38.5cm,一般为mm、cm量级,二、技术应用,由于激光性能优越，使得它在科学技术及许多生产部门有广泛应用。以下举例说明,一）激光精密测量,1）长度测量,光的干涉方法进行长度测量的有效量程,即相干长度,氦灯,氪灯,特制氦氖激光,激光干涉仪：一束光通过固定路径，一束射到靶镜后返回干涉仪，呈干涉条纹。靶镜移动 ，条纹移动一条。数出条纹移动数目，则移动长度测量值为,用于数控机械和一些精密测长工作，测长1mm，误差百分之一微米,2）测距和测速,高亮度、高方向性，用于远距测量，甚至可测月地距离。光源至目标来回时间t,则距离为,0.5kg重量的脉冲激光测距仪，20公里目标，误差0.5mm,利

15、用高相干性相位测距法，测8000km卫星距离，误差0.5m,利用激光照在运动物体上反射光多普勒频移，可测物体速度，0.007cm/s几百m/s范围速度,激光测月,3）准直导向,激光亮度高、方向性好，是良好的准直线和导向指示线。在造船业、大型机器安装、建筑、隧道掘进等有广泛应用。如，造船用激光定中心线；激光引导隧道掘进，2.5km，偏差小于16mm,4）表面质量检测,利用激光高相干性和单色性。检测磁带、玻璃、纺织品、电子元件等表面庇点、压痕、气泡、裂纹、针孔等缺陷，检测速度快,用激光全息技术可以探测物体内部缺陷大小位置（激光无损检测）。例如，拍飞机轮胎打足气和未打足气两种全息照片，有缺陷则干涉条

16、纹畸变,激光全息能检测机械设备的动态形变,二）激光信息技术,1）光盘、视盘,激光光盘外观似唱片，写入读出信息原理与唱片类似，只是用激光束代替唱针,用聚焦系统能使激光束聚焦成极细微光束（10-6m），故写入信息占据空间尺寸小，储存密度大，一张30cm直径光盘能存入80万页文件（16开）。读出时，光点与光盘无摩擦，寿命长,2）光通信,无线电通信传递信息快捷。但需提高信息容量，办法是提高载波频率。例如波长10cm电波代替波长100cm电波，容量提高1000倍,19世纪长波通信（几km），后中波通信（几百米），50年代微波通信。波长再短到了光波，光通信容量较微波又提高1万到10万倍,但普通光源非单色性

17、，不适应于通信，激光发明才使光通信成为可能。 光波在大气中传播受大气吸收、散射而损耗，故把光信号在光纤内传输，就是光纤通信,一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中 粗电缆所能承载的信息量,3）光计算机 显示技术,光波可以并行、交叉、互不影响（电流无此性质），用光束代替电流构成计算机（光计算机），能获得更高的速率和容量。 激光图像处理是一种高速信息处理技术。 激光液晶大屏幕显示将代替阴极射线管，成为新一代电视主角,三）激光热源的应用,激光聚焦后可以产生几千上万度高温，使金属、非金属、特别是难熔材料熔化、汽化，还可点燃核燃料,1）材料加工,焊接、切割、打孔、表面热处理,表面热处理,淬火（冷却速

18、度快、温度梯度大,表面合金化 表面涂覆 表面非晶化（快速熔凝,优点：表面组织细密，可局部加工，易于自动化，能实现常规方法难于实现的表面处理（如活塞环、汽缸、曲轴），耐磨、抗腐蚀，不需淬火介质，可加工凹凸不平零件及内孔，工件不变形,细针状马氏体，硬化表面,大型激光科学工程 “神光二号” （中科院上海光机所,激光加工、切割,2）激光核聚变,核聚变反应需要上亿度高温，用激光可以实现核聚变,因为核聚变只在原子核靠得很近时才发生，由于原子核之间排斥力极大，难于靠近，必须使核具有极大动能时才发生，温度必须极高,激光可控热核反应,激光核聚变实验装置,四）激光同位素分离技术,把某种同位素从天然同位素混合物中提出，就是同位素分离技术。传统方法有：扩散法、电磁法等。 激光单色性好，利用不同同位素原子或分子光谱的同位素位移，可以选择性地激发、电离或离解其中同位素原子，最后用物理、化学方法把所需同位素从混合物中分离出来,核电站核燃料含 大于3%，而天