第10章 光的量子性和激光器

第十章光的量子性和激光基础光的电磁理论1960年

梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器同年制成氦氖激光器1962年产生了半导体激光器解释了无法解释光传播时的干涉、衍射和偏振等具有波动性质的光现象光与物质相互作用（如黑体辐射，光电效应1900年

普朗克提出辐射能量子的假设。1905年爱因斯坦引进光子的概念，发展了自发辐射和受激辐射的理论，预言存在原子产生受激辐射放大的可能性。1二、光发射与吸收的量子模型及激发方式1.光发射与吸收的量子模型原子的能量状态不能连续改变，是量子化的，能量状态称为量子态基态激发态能量最低的量子态能量高于基态的量子态光子高能级低能级光子能量跃迁发射吸收2

加热波耳兹曼（Boltzmann）定律处在激发能为Ei的能级上的原子数目该能级的统计权重或简并度最低能级的量子态的原子数波耳兹曼常数系统的热力学温度当T升高，Ni迅速增加，它们向低能级跃迁时，会发射出光子许多气态物质，特别是金属蒸气，加热易发光基态较高能级跃迁激发＝2.激发方式3

辐射激发基态较高能级受激吸收＝吸收光子跃迁发射光子两种途径1）直接回到基态2）通过中间能级回到基态荧光共振辐射光致发光方式4

碰撞激发氢灯、汞灯、钠光灯的激发方式机理阴极电子发射电场作用获得动能的电子碰撞原子能量传递高能级的原子激发共振转移基态的原子激发态的原子碰撞跃迁激发态基态回到电致发光方式如：气体放电光源氢灯、汞灯等5第二节自发发射、受激发射与受激吸收一、自发发射处在高能级上的原子，都具有向往稳定而自发地回到低能态地特性，当它们返回低能级时以光的形式释放出能量。发射的光波的特点：（对于二能级系统）频率相同位相不相关偏振方向和传播方向随机分布非相干的自然光6二、受激发射光子作用于高能级的原子上时产生受激发射以二能级系统为例高能级原子受到光子激励，变到低能级于是受激发射过程中，光子数获得了放大7与入射光子比较频率相同相位相同偏振方向相同传播方向相同发射的光波的特点：二者完全相干在dt时间内，单位体积中从高能级受激跃迁到低能级的原子数受激发射系数高能级原子数密度入射光的单色辐射密度受激发射几率与入射光强有关8三、受激吸收上式表明1）低能态E1的原子吸收光子的能量才能被抽运到高能态E2上

2）原子对光能量的吸收是有选择性的，即唯有频率为的光子对E1能级上的原子作用，才能使原子激发到E2能级上去受激吸收消耗外来光子能量完成泵浦过程，即把低能级上的原子抽运到高能级上受激发射高能级的原子发射光子完成光放大过程91.激光加工

激光打孔激光切割10激光焊接激光雕刻112.激光武器

直接利用激光的巨大能量。在瞬间危害和摧毁目标激光武器推毁目标的主要手段就是烧蚀、激波和辐射。激光武器的主要特点有三个，一是反应时间短、照射速度快、命中精度高123.激光光纤通讯

光导纤维传光是利用在光导纤维中传输光线在界面上发生全反射来实现的有线广播电视可视电话、电话会议、医疗会诊134.激光测量

它是利用测量激光往返目标物所需的间，来决定目标物的距离。使用激光系统测距的优点，在于激光本身的高方向性和发散角很小，拥有较高的功率密度，並可准确地指定目标。利用激光绘制灾害图激光检测大气含量14第三节激光的基本原理爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光(LASER)LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

受激辐射的光放大受激辐射光放大雪崩似地放大自发辐射发光激光产生激光的装置——激光器15粒子数反转及其能级系统受激发射是一种光放大过程。在热平衡条件下，从总体上看这种光放大过程不占优势因为即低能级上的原子数目多于高能级上的原子数目解决办法粒子数反转即高能级上的原子数目多于低能级上的原子数目实现粒子数反转，原子的能级不能少于三级16三能级系统产生粒子数反转的例子粒子数原来呈玻耳兹曼分布激发原子从E1能级上升到E3能级E1和E3间的原子数达到动态平衡E1和E3间的不形成粒子数反转E1和E2间的形成粒子数反转E1最稳定E3最不稳定E2较稳定——亚稳态（粒子数反转的必要条件）第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激光器采用了四能级系统，如钕玻璃激光器17一、激光器运转的物理过程用激发方式或其它方式（如化学反应方式），把低能级的原子激发到高能级上——泵浦不稳定的高能级原子会下降到亚稳态能级，造成亚稳态能级与基态能级间的粒子数反转18亚稳态能级上的原子跃迁到基态，自发辐射出各个方向的光子光学谐振腔从光子中选择沿腔轴线方向传播的光子，将它反馈回来，再刺激亚稳态上能级上的原子，造成受激发射，产生成倍增加的光子再反馈，如此往复，就可以产生“雪崩”般的效果，激光束就从腔的端面射出19二、激光器的组成泵浦源工作物质谐振腔1.工作物质能被激发至粒子数反转的原子或分子集合—激活介质

是产生激光的内因能级结构决定产生激光的频率

激光器根据工作物质分类气体固体半导体如He-Ne激光器如红宝石激光器半导体激光器光放大器202.泵浦源将低能级的原子激发到高能级上，并实现粒子数的反转是产生激光的重要外因3.谐振腔产生激光振荡，形成光子的雪崩式放大——光子的共振是产生激光的重要外因由反射比很高的一对光学反射镜作端面的腔体对于粒子数反转的介质，光和介质相互作用的结果，由于受激发射大于受激吸收，光场被加强，光被放大谐振腔＝激光振荡？作用：使得发射沿腔轴向的光子遇到腔端面后可以被反射回到工作介质中，使得光子在工作介质中来回振荡，使得放大作用持续。21三、产生激光的条件1)受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件

2)工作物质必须具有亚稳态能级,至少有三个能级3)

形成粒子数反转，使受激发射多于受激吸收4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必须有一个谐振腔5)光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多22只有增益满足振荡域值条件且频率又等于谐振频率的光波才能形成激光激光器的输出频率是由谐振腔和工作介质共同确定的可以通过改变腔长来选择激光输出的纵模纵模与激光单色性关系？23五、激光的特性1.单色性好

普通的白光有七种颜色，频率范围很宽。而激光是一种单色光，频率范围极窄，发散角很小白光和激光的比较白光激光242.方向性强

激光的方向性很高，经过长距离之后，它仍然为细小的光束而不散开，而普通光源则会散开

激光的方向性是以发散角来度量，发散角愈大，代表方向性愈差。角度以弧度或毫弧度为单位。普通光源激光253.相干性高

普通光源是通过自发辐射发光，光源上各点发射的光无固定的相位关系，不是相干光。激光是通过受激辐射发光，光源上各点发射的光相位恒定，是相干性良好的相干光普通光源激光264.亮度高因为激光的方向性好，发射的能量被限制在很小的立体角中所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。从地球照到月亮上再反射回来也不成问题。是当今世界上高亮度的光源27第四节激光器的类型按工作物质分气体激光器固体激光器半导体激光器液体激光器按工作方式分连续激光器脉冲激光器281.气体激光器以气体为工作物质，气体介质的均匀性好，输出激光的单色性和相干性较好。一般采用电激发，效率高、寿命长常用于精密测量、全息技术等

2.固体激光器以固体为工作物质，由于晶体缺陷和温度引起的光学不均匀性，不易获得单模而倾向于多模输出，相干性比气体激光器差一般采用光激励，其能量转换环节多，效率低脉冲峰值功率高，可用于工业加工如打孔、焊接等293.半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单便于直接调制广泛的应用于光通信、光电测距及光信息存储与处理

4.液体激光器突出特点是波长连续可调应用于分光光谱、光化学、医疗和农业种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美30一、气体激光器1.气体激光器的一般结构

气体激光器的三种典型结构放电激发方式直流放电交流放电无电极的高频放电高压脉冲常用31二、固体激光器1.固体激光器的一般结构

工作物质泵浦源谐振腔激活离子镶嵌在晶体或玻璃之类的固体基质中，密度比气体工作物质大得多，固体基质通常做成棒状光泵抽运，常用氙灯或高压水银灯，其发光可以连续，也可以是脉冲的固体基质端面抛光成光学平面，镀上反射膜，构成谐振腔，也可以用两个反射镜构