教程物理激光

1、21-4激光激光（Laser），它的全称是：“辐射的受激发射光放大”（Lightlification bystimulated emisof radiation）世界上第一台激光器于，诞生在休斯飞机公司。其基本原理是基于1916年受激辐射理论。2：激光先驱（Thre Maiman）,19272007生于加州洛杉矶尽管1964年的物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，但仍两次获得奖提名Maiman在激光器研制方面的贡献得到了的认可，在1984年Maiman获得了奖（Wolf prize）并被列入国家发明家名人堂3BasovTownesProkhorov（Charles Hard Tow

2、nes, 1915-）（Nikolai Gennadiyevich Basov, 1922-）（Aleksandr Mikhailovich Prokhorov, 1916-）因在量子电子学方面的基础性研究工作激光（Maser-Laser）他们的工作导致了基于微波原理的振荡器和放大器的建成获得了1964年度物理学奖。4王之江中国，物理学家。江苏常州人。出生1952年毕业于大连大学工学院物理系。中国械光学精密机研究员。我国第一台激光器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。5一激光的基本原理：在原子内存在受激吸收、自发辐射和受激辐射三种过

3、程。普通常见光源的发光(如电灯、火焰、的发光)原理，是受激吸收和自发辐射。激光的原理是原子的受激辐射。61 受激吸收物质在受到外来能量(如光能、电能和热能等)作用时，E1处于低能态(或基态)的原子，h吸收能量为的一个光子，E2E2N2跃迁到高能态hh E2 E1E1N172 自发辐射处在高能级的电子E2N2很短91s0 )，h(一般为108在没有外界作用下会 自发地向低能级跃迁。跃迁时将产生电磁辐射，辐射光子的能量满足E1 N1频率条件 h E 1E2原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不相关，即所辐射的光在发射方向上是无规则的，相位、偏振状态也各不相同。另外

4、，由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一定范围。83 受激辐射：当一个外来的入射光子的能量等于相应的能级差，而且在高能级上有原子存在，处于高能态 E2 的原子， E2在能量h为1EE2N2的外来光子诱发下跃迁到低能态(或基态) E1同时辐射出光子。hE1N1受激辐射所产生的光子具有与外来光子完全相同的特性。它们的频率、相位、振动方向、方向均相同。94 光放大E2N2hhN1E1在一种材料中，如果有一个光子就会产生两个相同的光子。了一次受激辐射，这两个光子如果都再遇到类似的情况，就能够产生4个相同的光子。由此可以产生8个、1 6个为数目不断倍增的光子，这就可以形成“光放大”

5、。105 原子跃迁理论N1、N2设为体积中E1 、 E2 能级的原子数。处于E2N2E1N1在原子内存在受激吸收、自发辐射和受激辐射。11自发辐射体积中时间内，发辐射的原子数：自从EE12E2N2 dN21 AN221Adt自发hE1 N1为自发辐射系数，21是单个原子在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、互不相关的非相干光 。12受激辐射体积中时间内，从EE1激辐射的原子数：受2 dNT、N21BWN212212dt受激B 21 为受激辐射系数；W21为单个原子在时间内发生受激辐射过程的概率。E2N2hhE1N1受激辐射的光是相干光受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相

6、位及方向均相同。13受激吸收体积中时间内因吸收外来光E2 的原子数：而从E1 dN TN12B,WN121121dt吸收E2N2B为吸收系数；12hW12 为单个原子在时间内E1N1发生吸收过程的概率。受激吸收，使原子从EE2跃迁。114在1917年就已经从理论上给出W一个入射的光子被原子吸收而使原子从低能态 E1跃迁到高能态 E2 的受激吸收概率 W12，与一个入射的光子原子受激辐射E2E1而使原子从高能态到低能态W21跃迁的受激辐射概率是相等的 。1512 2W1B12 B21W看来，只要有一个适当的光子入射到给定的材料内就可以很容易地得到光放大了。其实不然，这里还有原子数。 dN TN1

7、2B,W121121dt吸收 dN T、N21BW212212dt受激1612 2W1分布规律Ne1xpEEN2() kT/21在通常热平衡条件下，.eV64eVE1 ，所以NN1 。由于E22133氢原子基态能量为 E1第一激发态能量E为.2expN1400在室温时：N2室温下，全部氢原子几乎都处于基态。17 dN WW W12N1211221dt吸收 dN NN W21N21212dt受激合适的光子入射到处于正常状态的材料中，主要的还是被吸收而使原子从低能态跃迁到高能态，几乎没有使原子受激辐射。处于高能态的原子，主要发生自发辐射而从高能态跃迁回低能态，不可能发生受激辐射光放大现象。18 d

8、N WW W12N1211221dt吸收 dN NN W21N21212dt受激如果要想实现“受激辐射的粒子数（不是概率）大于受激吸收的粒子数（不是概率）”，进而实现“光放大”，必须使处于高能态的粒子数大于低能态的粒子数，N2 N1粒子数布居反转分布（粒子数反转）产生激光的必要条件19粒子数反转分布实现粒子数反转的条件：要有实现粒子数反转分布的物质（称为工作物质或激活物质），这种物质具有 适当的能级结构（具有亚稳态能级）；必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的粒子处于激发态。（激励、抽运或泵浦）激励的方式有光激励、气体放电激励、碰撞激励、化学激励、核能激励等方式。20E2. N2E2 E1

9、E1。 N1E2. . . N2E2 E1E1。N1粒子数的正常分布6 He Ne 气体激光器He是辅助物质，Ne是激活物质，激励方式是碰He与 Ne之比为5:1 10:1 。撞激励所发激光是氖原子发出的，波长为632.8 nm的红光，它是氖原子由5S能级跃迁到3P能级的结果。21632n.m8激光的产生He亚稳态21 S例子当激光管加上电压后，管内产生电子流，运动的电子与氦原子的碰撞20.e6V1可使之升到能2级0.e6V1上的21 S态。21 S 态的氦原子不能自发辐射回到11 S ，氦原子的 21 S 态的相对地较长11 S(这种状态叫亚稳态)。22电子碰撞跃迁亚稳态HeNe5S21 S

10、20.66eV20.61eV碰撞转移氦原子的 21 S能级与氖原子的 5S 能级( 20.66eV处于激发态 21 S)非常接近。的氦原子与处于基态( 2P)的氖原子相碰时，将能量传给氖原子使之达到态5S 。5S氖原子的态也是亚稳态11 S2P23电子碰撞跃迁亚稳态亚稳态HeNe处于5S态的氖原子不能直接自发辐射回到 2P 态，5S21 S20.66eV20.61eV碰撞转移3P18.70eV要经过中间态3P（18.70eV）。11 S2P24电子碰撞跃迁亚稳态亚稳态氖原子的3P态HeNe5SN12 S的很短，220.e6V6处于3P态的20.e6V1碰撞转移氖原子数迅速通过无辐射跃迁减少。实

11、现了氖原子在 5S 态和3P态之间的粒子数布居反转，3Pe7V0N118.NN1211 S2P从而为光放大提供必要条件2。5N/无辐射跃迁与管壁碰撞发生电子碰撞跃迁亚稳态亚稳态HeNe5SN21 S220.66eV0.6328m20.61eV碰撞转移一旦有一个光子由于氖原子从5S 态到 3P态 自发辐射而产生，3PN118.70eV这种光将由于不断的受激辐射而成倍地急剧增加，11 S2PN/实现光放大。26无辐射跃迁与管壁碰撞发生受激辐射电子碰撞跃迁亚稳态HeNe亚稳态亚稳态3.39m 5S21 S20.30eV20.66eV4P碰撞转移23 S4S 0.6328m19.78eV1.15m 3

12、P18.70eV电子碰撞3S16.70eV实际情2况72P11 S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，3 S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。阅读28光学谐振腔为了加强光放大，受激辐射光需要反复通过激活物质，这就需要在激活物质两侧有两个反射镜，一个“光学谐振腔”。M 2激光M1全反射镜部分反射镜29激励能源M 2激光M1全反射镜部分反射镜光在粒子数反转的工作物质中往返,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡.L k加强光须满足驻波条件光学谐振腔的

13、作用：21.产生与维持光振荡，使光得到增强，实现放大作用；使激光具有极好的方向性（沿轴线）；使激光具有极好的单色性（选频）。30激励能源二激光器的结构1、激活介质有合适的能级结构，能实现粒子数反转。2、激励能源使原子激发，维持粒子数反转。3、光学谐振腔保证光放大，使激光有良好的方向性和单色性。311 工作介质阅读激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是 气体、液体、固体体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转， 以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现已有工作介质近千种，可产生的激光波长从紫外到远红外，波谱范围非常广。322 激励源阅读为了使工作介质中

14、出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子 去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源去照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，就必须不断地“泵浦”，以便维持粒子数反转状态。333 谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端， 面对面装上两块反射率很高的镜。一块光几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回至“工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成，雪崩似地获得放大，产生从部分反射镜一端输出。激光，光学谐振腔具有选频作用，使激光具有极好的单色性。阅读34阅读3510-8s。激发态E3自发辐.射光 亚稳态激E2(10-3s)励E.受激跃迁 。受激辐射1红宝石中铬离子能级示意图四能级系统E410-8s自发E3 （亚稳态） 10-3s激励E2 10-8s自发E1（基态）阅读36三激光器的种类：按工作物质分固体（如红宝石Al2O3）