大学物理10激光ppt课件

第二十章激光 激光 1 物质 原子体系 基态 激发态 光 光子体系 能量 h 动量 h c 质量 h c2 基本模型 考虑与产生激光有关的两个原子能级E1和E2 E2 E1 以使问题大为简化 一 自发辐射 spontaneousradiation 高能级E2上的原子自发地跃迁到低能级E1发出 光子过程 称为自发辐射 2 设单位体积中处于E1 E2能级的粒子数为N1 N2 E2 E1自发辐射的原子数为 则单位体积中 dt时间从 它是单个原子单位时间内发生自发辐射概率 指数衰减律 21 自发辐射系数 注意到 dN21 dN2于是有 3 10自发辐射的各原子发的光是独立的 无关的非相干光 20考虑原子在E2能级的平均停留时间 称为原子在E2能级的平均寿命 例 原子在一秒钟内发生自发辐射概率为1 10 则该原子在激发态E2平均停留时间为10秒 一般激发态寿命 一般亚稳态寿命 4 二 吸收 absorption 外来光频率满足h E2 E1时 E1能级粒子吸收一个光子 跃迁到E2能级 称为受激吸收 E1 E2受激吸收的原子数为 则单位体积中 dt时间从 它是单个原子单位时间内发生受激吸收概率 B12 受激吸收系数 w 光谱辐射能量密度 受激吸收概率 5 三 受激辐射 stimulatedradiation 外来光频率满足h E2 E1时 E2能级粒子受其刺激 跃迁到E1能级 同时辐射一个与外来辐射完全相同的光子 称为受激辐射 E2 E1受激辐射的原子数为 则单位体积中 dt时间从 它是单个原子单位时间内发生受激辐射概率 B21 受激发射系数 受激发射概率 定义 6 10受激辐射光与入射光的频率 偏振方向 相位及传播方向均相同 有光的放大作用 2o实际系统中 三种过程同时存在 只是各种过程所占比重不同 三种过程强弱由三个系数 即A2l B2l和B12表征 它们之间关系是 3o比较受激辐射与吸收的强度 有 在室温下 7 问题提出 我们希望产生光放大 受激辐射 在什么条件下 受激发射可以大于吸收 一 粒子数反转 populationinversion 单位时间 单位体积内 吸收的光能量是 受激辐射的光能量是 净增加的光能量是 8 光强与光能量关系是 利用三个系数关系 增益系数 9 显然 光强减少 光吸收 光强增加 光放大 称为粒子数反转 二 激光工作物质 问题提出 在平衡态下 原子数目按能级分布服从玻耳兹曼统计分布 10 在什么条件下 可以实现粒子数反转 寻求具有特殊能级结构的物质 称为激光工作物质 具有激励能源 使尽可能多的粒子由低能级激发到高能级 称为泵浦源 1 二能级系统 二能级物质是不能实现粒子数反转 11 2 三能级系统 E1 基态能级 E2 亚稳态能级 E3 泵浦的高能级 在E1与E2之间实现粒子数反转 泵浦能量高 3 四能级系统 E1 基态能级 E2 激光下能级 E3 激光上高能级 E4 泵浦的高能级 在E2与E3之间实现粒子数反转 12 三 光学谐振腔 opticalharmonicoscillator 若光能多次重复进出工作物质 可以提高光与物质相互作用的等效长度 能够稳定实现光反馈的装置称为光学谐振腔 上图是平行平面光学谐振腔的结构示意图 沿轴向光子 在两反射镜之间往返 引起工作物质的受激发射 产生出频率 位相 偏振方向和传播方向都相同的光子 输出激光 13 四 阈值条件 工作物质的吸收 散射和反射镜的吸收 透射等因素而出现损耗 要产生激光振荡 必须满足一定条件 称之为阈值条件 光在谐振腔中往返一次 须满足 L是谐振腔腔长 r1 r2是两反射镜光强反射率 阈值条件 14 一 激光的纵模和单色性 由于相干性要求 满足相干极大条件光波 才能存在 否则受到抑制 逐渐消失 将腔内允许存在的波长和频率称为激光的纵模 某时刻A处光有刚产生的 也有来回反射一次 两次 的 产生干涉 相长干涉才有输出 条件为 光程差 k 1 2 3 15 例子 氦氖激光器Ne原子的0 6328 m受激辐射光的谱线宽度为 如图示 k 1 2 3 k 真空中的波长 n 谐振腔内媒质的折射率 1 3 109Hz 16 数量级估计 1m n 1 0 c 108m s 因此 在 区间中 可以存在的频率种数为 通过缩短腔长和控制反射镜膜厚等手段可使输出频率数减少 17 区间中只存在一种频率 则 k要增大到10倍 在 区间中只可能存在 例如利用缩短腔长来加大 k 可以使 一种频率 但损失了光强 获得了线宽极窄的0 6328 m谱线激光输出 极大地提高了单色性 18 激光束在横截面上光强的分布常呈现一系列有规则的稳定图样 这种稳定分布的图样 称为激光的横模 表示 用TEMxy表示 TEM是横电磁波的英文缩写 下标x y是激光束在横截面上x方向 y方向出现暗区的数目 二 激光的横模和相干性 19 TEM10 TEM11 称为高阶横模 原因 光束通过反射 由于反射镜限制 产生多次衍射 导致光束截面上能量的稳定分布 一种稳定的横向光场分布对应一个横模 多次衍射导致不同方向光波的混淆 使光束截面上一点振动与截面上各点振动相互关联 使激光具有良好的相干性 TEM00称为基横模 20 三 激光的特点 1 单色性好和波长范围很宽 单色性好 指光源包含的波长范围越窄 或颜色越单纯 比较 氪灯 在 6047 处 0 0047 10 7 10 7 10 11 氦 氖气体激光 6328 处 波长范围很宽 不同激光工作物质产生的激光谱线数目已多至上万个 这些谱线覆盖从紫外到远红外的光谱范围 近年来 其波长已扩展到X射线波段 21 2 亮度和强度极高 脉冲瞬时功率可达 1014W 光源亮度 强度 非聚焦状态I 亮度 B 可产生108K的高温 引起核聚变 聚焦状态可达到 22 3 方向性好 投射到月球 38万公里 光斑直径仅约2公里 发散角可小到 10 4red 0 1 测地 月距离精度达几厘米 激光良好的方向性 适合于光盘 激光印刷 激光打印 激光扫描 激光显示 激光打标等领域的应用 4 相干性好 空间相干性好 激光波面上各个点可以 时间相干性好 相干长度可达几十公里 做到都是相干的 23 5 高速调制 半导体激光器 可对激光直接进行高速调制 调制速度可高达几万兆赫 或几万兆比特 适合光通信 光存储 光计算 光印刷等信息领域的需要 6 明显的光压效应 光是有动量 h c 激光的辐射强度高 可以有明显的光压效应 在微电子领域 可用激光辐射压力来清洗半导体片子 激光压力形成 光学镊 将精子和卵细胞无损伤地放到妇女输卵管中 提高怀孕成功率 24 按工作介质分类 固体激光器 气体激光器 液体激光器和半导体激光器 按激光输出方式分类 连续激光器和脉冲激光器 一 典型激光器 2 固体激光器 具有器件小 坚固 使用方便 输出功率大的特点 连续功率可达万W以上 脉冲峰值功率可高达109W 制备较复杂 因而价格较贵 25 2 气体激光器 常见的气体激光器有 He Ne CO2 Ar 具有结构简单 造价低 操作方便 工作介质均匀 光束质量好 品种最多 应用广泛 占有市场达60 左右 3 半导体激光器 体积小 质量轻 寿命长 结构简单而坚固 在光纤通信和光盘技术中有广泛应用 4 液体激光器或染料激光器 5 化学激光器 X光激光器 自由电子激光器 26 二 激光的应用 利用激光高强度 良好的聚焦性 平行性 控制光栅刻机等 绘制集成电路图 如芯片电路的准确分割 切割 连续打孔 调节精密电阻 可在大气中进行 迅速 非接触 焊接 烧熔 可加工硬质合金钻石等 钻孔 烧穿 加工 效率高 27 雷达 分辨率高 可测云雾 等 测量 准直 测距等 医疗 激光手术刀 血管内窥镜 治癌等 军事 激光制导 激光炮等 核技术 激光分离同位素 还利用了频率 准确的特点 激光核聚变 107 109K 氘 氚小弹丸 等 利用激光极好的相干性 测量 精密测长 测厚 测角 测流速 10 5 104m s 定向 激光陀螺 测电流 电压 磁光效应 激光 28 抗干扰性强 探测 微电子器件表面探测 激光 原子力 显微镜可测25个原子厚度的起伏变化 单原子探测 利用光谱分析能测出 1020个原子中的一个原子 全息技术 全息存储 全息测量 全息电影 全息摄影等 激光光纤通讯 载波频率高 1011 1015Hz 信