大学物理课件 激光

1、前言前言 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是 “辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 28-4 激激 光光 . 特点：特点： 2）方向性极好）方向性极好 脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 17瓦）瓦） 1）单色性极好）单色性极好 3）亮度极高）亮度极高 2）按工作方式分）按工作方式分 连续式连续式（功率可达（功率可达104 W） 脉冲式脉冲式（瞬时功率可达（瞬时功率可达1017 W ） 3) 按波长分：按波长分： (100 n m

2、 ） （1.222 m m ） . 种类：种类： 固体固体（如红宝石（如红宝石Al2O3） 液体液体（如某些染料）（如某些染料） 气体气体（如（如He-Ne，CO2） 半导体半导体（如砷化镓（如砷化镓 GaAs） 1）按工作物质分）按工作物质分 极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 一、一、 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡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态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计玻耳兹曼统计 分布：分布： kT E n n eN 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的

3、原子数目之比 1 2 N N 数量级估计：数量级估计： T 103 K； kT1.3810-20 J E 2-E 11eV; 1 2 N N 高能级上原子数少高能级上原子数少 0.086 eV; kT EE e 12 0860 1 . e 5 10 1 kT E kT E ee 12 / 1 12 kT EE e 原子能级分类：原子能级分类： 1、基态能级：、基态能级：原子最低能级。原子状态最稳定原子最低能级。原子状态最稳定 2、激发态能级：、激发态能级：原子停留时间原子停留时间 010-8s 3、亚稳态能级：、亚稳态能级：原子停留时间原子停留时间 0 二、二、 自发辐射、受激辐射和吸收自发辐

4、射、受激辐射和吸收 1. 自发辐射自发辐射(spontaneous radiation) E2 E1 N2 N1 h 各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、 无关的无关的 非相干光非相干光 。 2受激辐射受激辐射 (stimulated radiation) E2 E1 N2 N1 全同光子全同光子 h 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、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相位及传播方向均相同 -有光的放大作用。有光的放大作用。 （爱因斯坦预言，为激光器的制作成功所证明）（爱因斯坦预言，为激光器的制作成功所证明） h 3 . 吸收吸收(absorpti

5、on) E2 E1 N2 N1 h 上述外来光也有可能被吸收，上述外来光也有可能被吸收， 使原子从使原子从E1E2。 三、三、 粒子数反转粒子数反转 1. 为何要粒子数反转为何要粒子数反转(population inversion) 从从E2E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射受激辐射过程，也可过程，也可 能引起能引起吸收吸收过程。过程。 产生激光必须使产生激光必须使受激辐射的原子数受激辐射的原子数吸收光子的原子数吸收光子的原子数 12 NN 即：造成粒子数反转即：造成粒子数反转 2粒子数反转举例粒子数反转举例 例例. He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子

6、数反转 He -Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是激活物质，是激活物质， He与与 Ne之比为之比为51 1011。 谐振腔谐振腔 亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线, ,图中标明了最强的三条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（它们都是从亚稳态到非亚稳态（ 非基态）之间发生的，非基态）之间发生的， 因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。 四、光学谐振腔四、光学谐振腔 激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。 激励能源激励

7、能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜 激光激光 光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性 （只有能够形成驻波的频率方能维持振荡（只有能够形成驻波的频率方能维持振荡选频）选频） 小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件 . 激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发） . 粒子数反转（有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级） .光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向

8、性，光放大，单色性） 激光的特性及其应用激光的特性及其应用 方向性极好的强光束方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。准直、测距、切削、武器等。 相干性极好的光束相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。精密测厚、测角，全息摄影等。 例激光光纤通讯例激光光纤通讯 由于光波的频率比电波由于光波的频率比电波 的频率高好几个数量级，的频率高好几个数量级， 一根极细的光纤能承载一根极细的光纤能承载 的信息量相当于图片中的信息量相当于图片中 这麽粗的电缆所能承载这麽粗的电缆所能承载 的的信息量。信息量。 例例2 . 激光手术刀激光手术刀 （不需开胸，不住院）（不需开胸，不住院） 照明束照明束 照亮视场照亮视场 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤 成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光 使堵塞物熔化使堵塞物熔化 臂动脉臂动脉 主动脉主动脉 冠状动脉冠状动脉 内窥镜内窥镜 附属通道附属通道 有源纤维有源纤维 套环套环 纤维镜纤维镜 照明束照明束 附属通道附属通道 （可注入气或液）（可注入气或液） 排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放气） 阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通 例例1. 按照原子的量子理论，原子可以通过按照原子的量子理论，原子可