激光的特点及应用

激光的特点及应用▲1960年5月（美国）梅曼制成世界上第一台激光器▲我国第一台激光器是中国科学院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。激光是一种新光源，也是一门新兴的科学技术激光的特点及应用一、激光的特点：方向性极好（发散角～10-4弧度）空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源。时间相干性好（～10-8埃），相干长度可达几十公里。相干性极好单色性好氦——氖激光器发出的光波长为632.8nm,波长范围为脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）亮度极高能量集中二、激光的应用激光加工、激光准直、激光测距、激光手术、激光武器、激光核聚变.--------方向性好和能量集中激光测长、激光干涉、激光测流速、激光全息照象、--------激光相干性极好激光通讯、数据处理、--------超短脉冲激光激光信息储存和光计算机：光计算机的运算速度可高达每秒百亿次.按工作方式分连续式（功率可达104

W）

脉冲式（瞬时功率可达1014W

）固体（如红宝石Al2O3）

液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）

半导体（如砷化镓GaAs）

按工作物质分三、激光的种类：1、自发辐射:设N1

、N2—单位体积中处于E1

、E2

能级的原子数。单位体积中单位时间内，从E2

E1自发辐射的原子数：E2E1N2N1h2激光的产生一、光和原子的相互作用写成等式

Ａ21自发辐射系数，单个原子在单位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、无关的非相干光。2．受激辐射:N2E1E2N1全同光子h设（、Ｔ）……温度为Ｔ时,频率为

=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。单位体积中单位时间内，从E２

E１

受激辐射的原子数：写成等式

B21受激辐射系数W21单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。则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------有光的放大作用。令 W21=B21·

（、T）3.吸收:E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子从E1E2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从

E1E2的原子数：写成等式

B12

吸收系数令W12=Ｂ12(、T)W12

单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1９１７年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。没有实验家,理论家就会迷失方向。没有理论家,实验家就会迟疑不决。B21=B12二、粒子数反转一.为何要粒子数反转:从E2

E1

自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。 必须N2> N1（粒子数反转）。因B21=B12

W21=W12产生激光必须

把的原子激发到高能态上去，这个过程叫激励，俗称泵浦。能实现粒子数反转的物质称为激活物质。例.He一Ne气体激光器的粒子数反转三、激活物质的能级结构反射镜反射镜毛细管阳极阴极布氏窗外腔式He一Ne气体激光器He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。电子碰撞碰撞转移亚稳态亚稳态3P4P2P3S5S4S20.66eV19.78eV20.30eV18.70eV16.70eVHe-Ne激光管的工作原理：由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大；在He

的23S，21S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。由于Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；（要产生激光，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）正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S或4S；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。

Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0．6328ｍ1．15m3．39ｍ它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。四、光学谐振腔纵模与横模全反射镜部分反射镜激励能源激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。设氦氖激光器Ne原子的0．6328m受激辐射光的谱线宽度为,如图所示。1.3109Hz0I激光的纵膜由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有光程(k=1、2、3、…．)

k—真空中的波长n—谐振腔内媒质的折射率L