大学物理：第二十七章 激光

1、内容概要内容概要一、光与原子的相互作用一、光与原子的相互作用二、激光产生的条件二、激光产生的条件三、三、激光特性及应用激光特性及应用1. 1.自发辐射自发辐射2. 2.受激吸收受激吸收1. 1.粒子数反转粒子数反转1. 1. 激光武器激光武器2. 2. 激光加工激光加工2. 2.光学谐振腔光学谐振腔3. 3.受激辐射受激辐射3. 3. 激光医学激光医学第二十七章第二十七章 激光激光激光：激光：L Light ight A Amplification by mplification by S Stimulated timulated E Emission of mission of R Radi

2、ationadiation缩写为缩写为LaserLaser，它表示，它表示“辐射的受激发射的光放大辐射的受激发射的光放大”。激光是激光是2020世纪的四世纪的四项重大的发明之一项重大的发明之一1 1、自发辐射、自发辐射原子自发地从高能级返回到低能级原子自发地从高能级返回到低能级并放出光子的过程，称为并放出光子的过程，称为自发辐射自发辐射。光子的能量为光子的能量为 h h = =E E2 2- -E E1 1特点：特点：原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关；原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关；光的振动方向、相位都不一定相同，不是相干光。光的振动方向、相位都不一定相同，不是相干光。h

3、 E2E1一、光与原子的相互作用一、光与原子的相互作用h E2E12 2、受激吸收、受激吸收原子吸收能量为原子吸收能量为h h = =E E2 2- -E E1 1的光子，的光子，从低能级从低能级E E1 1跃迁到高能级跃迁到高能级E E2 2的过程的过程称为称为光的吸收光的吸收，又称为，又称为受激吸收受激吸收。特点：特点：不是自发产生的，必须有外来光子的不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激刺激”才会产生才会产生外来光子必须符合外来光子必须符合h h = =E E2 2- -E E1 1的条件。的条件。h E2E13 3、受激辐射、受激辐射h h 原子因受外来光子的刺激而从原子因受外来光子的

4、刺激而从高能级状态向低能级状态跃迁高能级状态向低能级状态跃迁并辐射光子的过程，称为并辐射光子的过程，称为受激受激辐射辐射。特征：特征：不是自发产生的，必须有外来不是自发产生的，必须有外来光子的刺激，且外来光子的频光子的刺激，且外来光子的频率必须满足率必须满足h h = =E E2 2- -E E1 1的条件；的条件；受激辐射出的光子与外来刺激受激辐射出的光子与外来刺激的光子在频率、发射方向、相的光子在频率、发射方向、相位及偏振状态等方面完全相同。位及偏振状态等方面完全相同。在一个入射光子的作用在一个入射光子的作用下，获得大量的状态完下，获得大量的状态完全相同的光子，即形成全相同的光子，即形成了

5、了光放大光放大。1 1、粒子数正常分布和粒子数布居反转分布、粒子数正常分布和粒子数布居反转分布在温度为在温度为T T的平衡态时，原子中的电子处于能级的平衡态时，原子中的电子处于能级E Ei i的数的数目目N Ni i为为kTEiiCeN/ 原子中处于原子中处于N N2 2和和N N1 1的电子数目之的电子数目之比为比为kTEEeNN1212 处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做做粒子数的正常分布粒子数的正常分布。为了实现光放大，必须使处于高能为了实现光放大，必须使处于高能级上的电子数大于低能级上的电子级上的电子数大于低能级上的电子数

6、，这种分布与正常分布相反，故数，这种分布与正常分布相反，故叫做叫做粒子数布居反转分布粒子数布居反转分布，简称，简称粒粒子数反转子数反转或或布居反转布居反转。高能态高能态低能态低能态高能态高能态低能态低能态二、激光原理二、激光原理2 2、激光工作物质、激光工作物质能够产生粒子数反转的物质，叫能够产生粒子数反转的物质，叫做做激光工作物质激光工作物质，也叫，也叫激活介质激活介质。要有合适的能级结构，如三能级要有合适的能级结构，如三能级或四能级结构或四能级结构E3E1E2E3E1E2激励激励激励激励抽运抽运抽运抽运E4从外界输入能量（从外界输入能量（PumpPump）：）：泵浦，抽运，激励，光泵。泵浦

7、，抽运，激励，光泵。光激励；光激励； 电激励；电激励； 热激励；热激励； 化学激励化学激励3 3、光学谐振腔、光学谐振腔引入：引入：为了产生激光为了产生激光构成：构成：两个放置在工作物质两边的平面反两个放置在工作物质两边的平面反射镜组成，一个是全反射镜，一个射镜组成，一个是全反射镜，一个是部分反射镜。是部分反射镜。作用：作用：产生和维持光谐振产生和维持光谐振选频作用：选频作用：满足满足l=k /2的条件。因而激光的单色性很好。的条件。因而激光的单色性很好。激光原理激光原理1 1、激光的特性、激光的特性方向性好方向性好单色性好单色性好能量集中能量集中相干性好相干性好2 2、激光的应用、激光的应用

8、方向性好：方向性好：定位、导向、激光测距、激光雷达定位、导向、激光测距、激光雷达单色性好：单色性好：精度测量、激光通信、等离子测试精度测量、激光通信、等离子测试能量集中：能量集中：打孔、焊接、切割、手术、激光核聚变打孔、焊接、切割、手术、激光核聚变相干性好：相干性好：激光干涉仪、全息照相激光干涉仪、全息照相三、激光的特性和应用三、激光的特性和应用几种激光武器几种激光武器激光干扰武器激光干扰武器激光致盲武器激光致盲武器激光防空武器激光防空武器 化学激光器化学激光器氟化氘中红外化学激光氟化氘中红外化学激光氧碘化学激光氧碘化学激光 自由电子激光自由电子激光 准分子激光准分子激光 激光器已能实现小型化

9、激光器已能实现小型化无粒子数反转激光器初见端倪无粒子数反转激光器初见端倪激光武器激光武器 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 5500 o oC C的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）（目前已是常规的医学手术）用脉冲的染料激光（波长用脉冲的染料激光（波长585nm585nm）处理皮肤色素沉着）处理皮肤色素沉着处理前处理前处理后处理后 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 使堵使堵 塞物熔化塞物熔化 附

10、属通道附属通道（可注入气（可注入气 或液）或液） 排除残物以明排除残物以明 视线视线 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激光手术刀激光手术刀 （不开胸，不需住院）（不开胸，不需住院） 扩展了激光的波长范围扩展了激光的波长范围现在已经能制成波长自亚毫米到紫外波段的激光器。现在已经能制成波长自亚毫米到紫外波段的激光器。19971997年发明的自由电子激光器，波长可以从红外延伸到年发明的自由电子激光器，波长可以从红外延伸到紫外范围。紫外范围。激光的功率大大提高激光的功率大大提高二氧化碳激光器的连续功率已达二氧化碳激光器的连续功率已达10kW10kW，脉冲激光器的瞬，脉冲激光器的瞬时功率可达时功率可达10101414WW。高功率固体激光高功率固体激光华光装置华光装置（10109 9WW