大学物理（下册）课件16-10 激光

一、自发辐射和受激辐射

1.自发辐射处于激发态的原子不稳定,会以一定的概率随机地向低能级跃迁并发射出光子,这种跃迁称为自发跃迁。自发跃迁与外界条件无关。由自发跃迁产生的光辐射叫作自发辐射。

图16.20是自发辐射的示意图。自发辐射所发出的光子的频率为ν=(E2-E1)/h。白炽灯、日光灯、高压水银灯等普通光源的发光过程就是自发辐射。

2.受激吸收当原子中的电子处于低能级E1

时,若外来光子的能量hν恰好等于激发态的某高能级

E2

与低能级E1

的能量差,即hν=E2-E1,那么原子就会吸收该光子的能量,并从低能级

E1

跃迁到高能级E2。这个过程称为受激吸收,简称光吸收。图16.21是光吸收的示意图。

3.受激辐射1916年爱因斯坦在研究光辐射与原子间的相互作用时指出,原子除受激吸收和自发辐射外,还有受激辐射。受激辐射如图16.22所示。

当外来光子的频率恰好满足hν=E2-E1时,原子中处于高能级E2的电子会在外来光子的诱导下向低能级E1跃迁,并发出和外来光子具有相同特征的光子。这就是所说的受激辐射。受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位和振动方向。在受激辐射中通过一个诱导光子的作用,得到两个特征完全相同的光子,如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射,就能得到更多特征完全相同的光子,这个现象称为光放大。因此受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光。二、激光原理

1.粒子数的正常分布和反常分布当频率一定的光射入工作物质时,受激辐射和受激吸收同时存在,受激辐射使光子数增加,受激吸收却使光子数减少。究竟光子数是增加还是减少,取决于哪个过程占优势。在一般情况下,物质处于热平衡状态时,由于电子总是趋向于占据低能级,因此原子中处于低能级的电子肯定比处于高能级的电子多。任意两个能级上电子数目之比可由玻耳兹曼分布得到。在温度为T的平衡态时,原子中的电子处于能级Ei的数目Ni为

由上式可知,原子中电子处于E1能级和E2能级的数目之比为若E1

为低能级,E2

为高能级,则N1>N2。这表明,处于低能级的电子数大于处于高能级的电子数,这种分布叫粒子数的正常分布。

为了使工作物质实现粒子数反转,我们可以从外界输入能量(如光照、放电等),把处于低能级的原子激发到高能级上去,这个过程叫作激励(也叫泵浦)

图16.23表示了氦原子和氖原子的与激光有关的部分能级。

2.光学谐振腔、激光的形成仅仅使工作物质处于反转分布,产生光放大,虽可以得到激光,但这时的激光寿命比较短,强度很弱,没有实用价值。为获得一定寿命和强度的激光,还必须加一个如图16.24所示的光学谐振腔。三、激光器

1.氦－氖气体激光器

氦氖(He－Ne)激光器以氦、氖气体为工作物质,激光管的外壳用硬质玻璃制成,中间有一根毛细管作为放电管,制造时抽去管内空气,然后将氦、氖按5∶1~10∶1的比例充气,直至总压力为2.66×l02~3.99×102Pa为止。管的两端面为反射镜子,组成光学谐振腔。激励是用气体放电的方式进行的,为了使气体放电,在阳极和阴极之间加上几千伏的高压。形成的激光经过部分透光反射镜输出,这种激光器发出的激光波长为632.8nm。

氦－氖激光器是具有连续输出特性的气体激光器。虽然它的输出功率一般来说并不很高,通常只有几毫瓦,最大也不过百毫瓦,但由于它的光束质量很好,光束发散角很小,一般能达到衍射极限,相干长度是气体激光器中最长的。另外由于器件结构简单,操作方便,造价低廉,输出光束又是可见光,因此在精密计量、准直、导航、全息照相、通信、激光医学等方面得到了极其广泛的应用。氦氖激光器是放电激励的气体激光器的典型代表。

三、激光器

2.红宝石激光器红宝石激光器是最早(1960年)制成的激光器,它的工作物质是红宝石晶体,棒的两端面要求很光洁并严格平行。作为谐振腔的两个反射镜可以单独制成,也可利用棒的两端面镀上反射膜制成。激励是利用脉冲氙灯发出强烈的光脉冲进行的。为了提高激励功率,常装有聚光器。另外,附有一套用于点燃氙灯的电源设备。为了防止红宝石温度过高,还附有冷却设备。红宝石激光器发出的是脉冲激光,它的波长为694.3nm。棒长为10cm、直径1cm的红宝石激光器,每次脉冲输出的能量为10J,脉冲持续时间为1ms,平均功率为10kW。四、激光器的特性和应用

(1)方向性好。由于激光器只向一个方向发射光,而且射出光的发散角很小,接近衍射极限,所以具有很好的方向性。

(2)单色性好。科学上用光辐射能量集中的频谱区间(称谱线宽度)衡量光的单色性