大学物理教学课件：激光（出版）

1、1,第二章 激 光,2,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,前言,激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,第二章 激 光,3,一. 特点,方向性极好（发散角10 -4弧度,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦,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,亮度极高,4,按工作方式分,连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W,三 . 波长：极紫外可见光亚毫米,100

2、 n m ） （1.222 m m,二 . 种类,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,5,1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发,由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布,6,若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比,数量级估计,T 103 K,kT1.3810-20 J 0.086 eV,E 2-E 11eV,7,但要产生激光必须使原子激发;且 N2 N1, 称粒子数反转(population inversion,原子激发的几种基本方式,1气体放电激发,2原

3、子间碰撞激发,3光激发(光泵,演示,演示,8,2 自发辐射 受激辐射和吸收,一. 自发辐射(spontaneous radiation,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,h,9,写成等式,21 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,10,二受激辐射 (stimulated radiation,全同光子,设 （、）温度为时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度,11,单位体积中单位时间内，从E E 受激辐

4、射的原子数,写成等式,B21受激辐射系数,12,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,13,三 . 吸收(absorption,h,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,14,写成等式,B12 吸收系数,令 W12=12 ( 、T,W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率,15,A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数,爱因斯坦在 1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

5、 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 = B12,16,3 粒子数反转,一. 为何要粒子数反转 (population inversion,17,必须 N2 N1（ 粒子数反转,因 B21=B12,W21=W12,产生激光必须,18,He -Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是 激活物质，He与 Ne之比为51 101,19,电子碰撞,碰撞转移,20,He-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

6、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,21,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,22,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

7、， 有利于激光下能级4P与3P态的抽空,23,Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条,06328 115 m 339,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,24,4 增益系数,激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着,增益光的放大,损耗光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等,激光形成阶段：增益损耗,激光稳定阶段：增益损耗,增益,损耗,25,一激光在工作物质内传播时的净增益,设0处，光强为I0,I,dx I + d I,有 d I Idx,写成等式 d I = G I dx,定义：增益系数 G (gain coef

8、ficient,26,即单位长度上光强增加的比例,一般G不是常数。 为简单起见，先近似地认为G是常数,27,二 . 考虑激光在两端反射镜处的损耗,I0 激光从左反射镜出发时的光强,I1 经过工作物质后，被右反射镜反射 出发时的光强,I0,全反射镜,部分反射镜,I1,I2 再经过工作物质，并被左反射镜反射 出发时的光强,I2,R1、R2 左、右两端反射镜的反射率,28,显然有I 1 = R 2 I 0 eGL,I 2 = R 1 I 1 eGL,R 1 R 2 I 0 e2GL,在激光形成阶段,即 R1 R2 e2GL 1,或,须 I2 / I0 1,29,式中Gm称为阈值增益， 即产生激光的最

9、小增益,在激光稳定阶段,即,光强增大到一定程度后,须 I2 / I0 = 1,30,在激光的形成阶段G Gm , 光放大， 怎麽光强不会无限放大下去,在激光的稳定阶段 怎么又会G = Gm ,原因是实际的增益系数G 不是常量,当 I时，会 G,这是由于光强增大伴随着 粒子数反转程度的减弱。 （负反馈,不会,31,当光强增大到一定程度，G下降到m时， 增益=损耗，激光就达到稳定了,通常称,为阈值条件,threshold condition,32,5光学谐振腔 纵膜与横模,optical harmonic oscillator,longitudinal mode and transverse mo

10、de,激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔,33,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,阈值条件为,对于可能有多种跃迁的情况， 可以利用阈值条件来选出一种跃迁,选频之一,34,我们可以控制1、2的大小,对 0.6328 m 1、R2大 Gm 小(易满足阈值条件，使形成激光),对 1.15 m 、3.39 m 1、2小 Gm大（不满足阈值条件，形不成激光,例如，若氦氖激光器Ne原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激辐射 光中, 只让波长0.6328 m的光输出,35,设氦氖激光器

11、Ne原子的 06328 m受激辐射光 的谱线宽度为, 如图所示,1.3109 Hz,对于单一的跃迁，还可以利用 选择纵模间隔的方法，进一步 在谱线宽度内再选频,选频之二,36,由于,为什么激光的谱线宽度会 小到 10-8,取绝对值,37,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,38,可以存在的纵模频率为,相邻两个纵模频率的间隔为,数量级估计,1； n1.0； c108 ms,39,而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为,=13109 HZ,因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为,40,利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使

12、区间中只存在一个纵模频率,比如缩短管长到 10 c,即 L/10,41,于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出， 极大地提高了0.6328 m 谱线的单色性,激光除了有纵向驻波模式外， 还有横向驻波模式,42,小结：产生激光的必要条件,激励能源（使原子激发,粒子数反转（有合适的亚稳态能级,光学谐振腔（方向性，光放大，单色性,基横模在激光光束的横截面上各点的 位相相同，空间相干性最好,43,6 激光的特性及其应用,方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等,相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等,44,例激光光纤通讯,由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级,一根极细的光纤 能承载

13、的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量,45,例2 . 激光手术刀,不需开胸，不住院,照明束 照亮视场,纤维镜激光光纤 成象,有源纤维强激光 使堵塞物熔化,附属通道 （可注入气或液） 排除残物以明视线,套环 （可充、放气） 阻止血流或使血流流通,46,例3激光 原子力显微镜(AFM,用一根钨探针或硅 探针在距试样表面 几毫微米的高度上 反复移动,来探测固 体表面的情况,试样通常是 微电子器件,47,探针尖端在工作时处于受迫振动状态， 其频率接近于探针的共振频率,探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯 吸引力的作用时，其共振频率发生变化， 因而振幅也随之改变,为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成 两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则 穿过