大学物理教程 ch16-3

1、?第五篇第五篇 量子现象和量子规律量子现象和量子规律第第1616章章 场的量子性场的量子性16.4 16.4 激激 光光 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)(Laser)，全名是全名是“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)要点：要点： 1. 1. 什么是受激吸收、自发辐射、什么是受激吸收、自发辐射、受激辐射？受激辐射？2. 2. 什么是粒子数反转？实现什么是粒子数反转？实现粒子数反转的条件粒子数反转的条件 （内因、（内因、外因）是什么？外因）是什么？3. 3. 激光器

2、的基本组成部分及各部分的作用（特别激光器的基本组成部分及各部分的作用（特别是光学谐振腔作用）是光学谐振腔作用）4. 4. 激光的特点及应用激光的特点及应用一、激光发展简史一、激光发展简史 （物理（物理技术技术物理）物理）Towns建立第一台微波激射器（建立第一台微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假说提出能量子假说19051917Einstein提出受激辐射理论提出受激辐射理论19531958Towns,Shawlow开始研制激光器开始研制激光器1960Maiman制成第一台红宝石激光器制成第一台红宝石激光器1961-65激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，激光光谱，用

3、于大气污染分析；半导体激光器，用于激光通讯；用于激光通讯； 激光器，用于激光熔炼、激光器，用于激光熔炼、2CO激光切割、激光钻孔激光切割、激光钻孔.1968-69月球上设置激光反射器；地面与卫星联系月球上设置激光反射器；地面与卫星联系1982激光全息术激光全息术80年代年代激光外科手术，通讯、光盘、激光武器激光外科手术，通讯、光盘、激光武器.Einstein提出光量子理论提出光量子理论Maxwell 建立光的电磁理论建立光的电磁理论1860肖洛肖洛肖洛实验室肖洛实验室门前的广告门前的广告 不可思议的不可思议的激光激光请入内请入内参观令参观令人信服人信服的激光的激光汤斯和肖洛在一起，右汤斯和肖洛

4、在一起，右上角是最早的激光器上角是最早的激光器二二.激光的基本原理激光的基本原理爱因斯坦辐射理论爱因斯坦辐射理论 自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收受激吸收和自发辐射受激吸收和自发辐射受激辐射受激辐射频率频率相位相位偏振方向偏振方向传播方向传播方向完全相同完全相同三种过程同时存在。三种过程同时存在。 普通光源普通光源-自发辐射占优势自发辐射占优势 激光光源激光光源-受激辐射占优势受激辐射占优势发光机制发光机制在受激辐射占优势时，可以实现光放大。在受激辐射占优势时，可以实现光放大。为什么称为为什么称为“粒子数反转粒子数反转”？怎样才能使受激辐射占优势？怎样才能使受激辐射占优势？即：

5、实现即：实现 N2 N1（ 粒子数反转）粒子数反转）必须必须 吸吸收收受受激激辐辐射射受受激激 tNtNdddd12212N 1N Eh N1N2Eh N1N2三三. 原子在能级上的分布原子在能级上的分布 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态下，平衡态下，原子数目按能级的分布服从原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布： kTEnneN k k：玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数-123KJ10381 .k 若若 E2 E 1，则两能级上的，则两能级上的原子数目之比原子数目之比 11212 kTEEeNN 数量级估计：数量级估计： 以氢原子

6、为例，室温（以氢原子为例，室温（300K）下）下kT410-21 J 0.025 eV;E 2-E 110eV;112 40012eeNNkTEE粒子数反转分布：粒子数反转分布：高能级的原子数大于低能级的原子数。高能级的原子数大于低能级的原子数。粒子数反转分布粒子数反转分布是产生激光的必是产生激光的必要条件要条件正常分布正常分布反转分布反转分布能实现粒子数反转分布的介质能实现粒子数反转分布的介质激活介质激活介质如何实现粒子数反转分布？如何实现粒子数反转分布？四四. . 激光器的基本结构和工作原理激光器的基本结构和工作原理激励能源激励能源工作物质工作物质光学谐振腔光学谐振腔激光束激光束1. 1.

7、 激励能源：激励能源：功能：功能：向工作物质提供能量，将工作物质的原子、向工作物质提供能量，将工作物质的原子、分子从基态激发到高能态，实现粒子数反转分布分子从基态激发到高能态，实现粒子数反转分布 （外因）（外因） 原子激发的几种基本方式原子激发的几种基本方式 气体放电激发气体放电激发 原子间碰撞激发原子间碰撞激发 光激发光激发( (光泵光泵) )2.2.工作物质（工作物质（激活介质激活介质）光学透明性良好光学透明性良好有亚稳态能级（内因）有亚稳态能级（内因）例：例：三能级系统三能级系统 红宝石激光器红宝石激光器（c）例：例：四能级系统氦氖激光器四能级系统氦氖激光器He：辅助物质，：辅助物质，N

8、e：激活物质，：激活物质，He与与 Ne之比为之比为 5 1 10 1He-Ne激光管激光管的工作原理：的工作原理： 亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态电子碰撞电子碰撞*电子碰撞电子碰撞：由于由于He被激发被激发(到到23S和和21S能级能级)的概率比的概率比 Ne 原子被原子被激发的概率大；且该两个能级都是亚稳态，所以激发的概率大；且该两个能级都是亚稳态，所以在在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。的这两个激发态上集聚了较多的原子。亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态“共振转移共振转移”：由于由于Ne的的 5S 和和 4S与与 He的的 21S和和 23S的能量几乎相等，的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易

9、产生能量的转移。当两种原子相碰时非常容易产生能量的转移。在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，而回到基态，而而 Ne则被激发到则被激发到 5S 或或 4S；*正好正好Ne的的5S，4S是亚是亚稳态，下能级稳态，下能级 4P，3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5S，4S要短得多要短得多，这样就可以，这样就可以形成粒子数的反转。形成粒子数的反转。放电管做得比较细放电管做得比较细（毛细管）（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助，可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，这种碰撞，3 S态的态的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁无辐射跃迁”而

10、回到基态，以及时减少而回到基态，以及时减少3S态的态的Ne原子数，有利于激光下能级原子数，有利于激光下能级4P与与3P态的抽空。态的抽空。*要实现要实现粒子数反转分布粒子数反转分布，除了增加上能级的粒子数外，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。还要设法减少下能级的粒子数。亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态* Ne原子可以产生多条原子可以产生多条 激光谱线激光谱线, 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。3.

11、3. 谐振腔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. 1.对方向进行选择（对方向进行选择（/轴线光放大），轴线光放大）， 使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性； 2. 2.来回反射多次放大（延长了工作物质），来回反射多次放大（延长了工作物质）， 增强光放大作用，形成增强光放大作用，形成强光强光 3. 3.在腔内形成驻波的光放大，在腔内形成驻波的光放大， 使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（相干性）（相干性）.)3,2,1

12、(2 kknL 驻波条件：驻波条件：L Lk k=1=1k k=2=2k k=3=3 可以存在的可以存在的纵模纵模频率为频率为nLckckk2 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为nLck2 激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。基模基模高阶横模高阶横模轴对称分布轴对称分布旋转对称分布旋转对称分布基横模在激光光束的横截面上各点的相位相同，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。空间相干性最好。4. 4. 增益系数增益系数增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射等。光的吸收、散射、衍射、透射等。

13、 （包括一端的部分反射镜处必要的激光输出）（包括一端的部分反射镜处必要的激光输出）激光器内受激辐射光来回传播时，同时存在着激光器内受激辐射光来回传播时，同时存在着 激光形成阶段：增益损耗激光形成阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗阈值条件：增益阈值条件：增益损耗，稳定输出损耗，稳定输出mGRRLG 211ln21镜面反射率镜面反射率谐振腔长度谐振腔长度 我们可以控制我们可以控制1、2的大小：的大小： 对对 0.6328 m 1、R2大，大， Gm 小小(易满足阈值条件，形成激光易满足阈值条件，形成激光) ；对对 1.15 m 、3.39 m 1、2小小 Gm大（不满足阈值

14、条件，不能形成激光）。大（不满足阈值条件，不能形成激光）。例如，若氦氖激光器例如，若氦氖激光器Ne原子的原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激辐射光中受激辐射光中, 只让波长只让波长0.6328 m的光输出，的光输出，对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件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。来选出一种跃迁。五、激光器种类五、激光器种类在基质（玻璃、晶体）中掺稀土元素在基质（玻璃、晶体）中掺稀土元素固体激光器：固体激光器：例：例：钕玻璃激光器钕玻璃激光器 1060nm1060nm钇铝石榴石激光器钇铝石榴石激光器 （掺钕）（掺钕）气体激光器：气体激

15、光器：原子气体激光器原子气体激光器 氦氖激光器氦氖激光器分子气体激光器分子气体激光器22N,CO离子气体激光器离子气体激光器氩离子氩离子1.1.按工作物质分类按工作物质分类半导体激光器：半导体激光器： 体积小、寿命长（体积小、寿命长（1010万小时）万小时）液体激光器：液体激光器： 染料激光器染料激光器 2. 2.按工作方式分类按工作方式分类 连续式（功率可达连续式（功率可达10104 4 W W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达101014 14 W W ）极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m (100 n m ） （1.222 m m 1.222 m m ） 3

16、. 3.按波长分类按波长分类六、激光的特点及应用六、激光的特点及应用1 1、特点、特点1 1）方向性好）方向性好)(sr106球球面面度度发发散散角角 2 2）单色性好）单色性好相干性好相干性好时间相干性：时间相干性： 相干长度几十千米相干长度几十千米空间相干性：波面上任意两点可作相干光源空间相干性：波面上任意两点可作相干光源3 3）亮度高：）亮度高：功率为普通光源的百万至几十亿倍功率为普通光源的百万至几十亿倍精密计量：精密计量：测距、测速、准直、表面检测测距、测速、准直、表面检测信息处理：信息处理：光盘、光通信、光计算机、光盘、光通信、光计算机、 图象处理、显示图象处理、显示激光加工：激光加

17、工：分离同位素、核聚变（惯性约束）分离同位素、核聚变（惯性约束）激光医学：激光医学：激光刀激光刀激光生物应用激光生物应用 ： 育种育种激光武器激光武器.2 2、应用、应用激光：既是一门新兴学科，又是一项划时代的新技术激光：既是一门新兴学科，又是一项划时代的新技术例例1.1.激光测月激光测月一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中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。粗电缆所能承载的信息量。例例2 2激光光纤通讯激光光纤通讯例例3 .3 . 激光手术刀激光手术刀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

18、明束照明束 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 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4 4激光可控热核反应激光可控热核反应 激光瞬时从各个方向同时照射直径仅为几微米的激光瞬时从各个方向同时照射直径仅为几微米的氘氚小靶球，实现能量在时间和空间的高度集中，氘氚小靶球，实现能量在时间和空间的高度集中，在靶中心点燃核聚变（惯性约束）在靶中心点燃核聚变（惯性约束） 。液液氢氢 388

19、10atm,10K,10 PT美国洛伦兹美国洛伦兹利佛莫尔实验室的利佛莫尔实验室的NOVANOVA激光系统激光系统功率：功率：10101414W W，已经接近惯性约束的要求。，已经接近惯性约束的要求。我国我国863863计划开始研究。计划开始研究。激光核聚变实验装置激光核聚变实验装置 大型激光科学工程大型激光科学工程 “ “神光二号神光二号”（中科院上海光机所）（中科院上海光机所）大功率激光加工机床大功率激光加工机床二氧化碳激光加工机二氧化碳激光加工机例例5 .5 . 激光加工、切割激光加工、切割X射线激光器射线激光器激光打孔激光打孔练习练习1.1.在激光器中利用光学谐振腔在激光器中利用光学谐振腔（1 1）可以提高激光束的方向性，而不能提高其单色性。）可以提高激光束的方向性，而不能提高其单色性。（2 2）可以提高激光束的单色性，而不能提高其方向性。）可以提高激光束的单色性，而不能提高其方向性。（3 3）可以同时提高激光束的方向性和单色性。）可以同时提高激光束的方向性和单色性。（4 4）不能提高激光束的方向