第二讲激光基础知识

1、 激光的基本知识激光的基本知识四 激光的特点三 激光的基本原理 五 激光的应用 激光的基本知识激光的基本知识二 光与物质的相互作用一 光的基本特性2一一. 光的基本特性光的基本特性1、光的波粒二象性、光的波粒二象性光的波粒二光的波粒二象性象性波动性波动性粒子性粒子性电磁理论电磁理论波动属性：波动属性：光波模式光波模式光子理论光子理论粒子属性：粒子属性：光子态光子态电磁波电磁波-电磁场是电磁场是E和和B的振动由近及远传播的过程的振动由近及远传播的过程uZXYEB光矢量，横波光矢量，横波(振动方向和传播方向垂直）振动方向和传播方向垂直）.一一. 光的基本特性光的基本特性2、光波模式（波动性）、光波

2、模式（波动性）光波具有一定的光波具有一定的偏振偏振、传播方向传播方向和和频率频率2( , )it ikrE r tAe一一. 光的基本特性光的基本特性2、光波模式、光波模式 （波动性）（波动性）(1) (1) 波长波长 : : 振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2) (2) 光速光速882.998 10/3 10/cm sm s (3) (3) 频率：光矢量每秒钟振动的次数频率：光矢量每秒钟振动的次数T1(4) (4) 三者的关系三者的关系在真空中在真空中 0c一一. 光的基本特性光的基本特性2、光波模式、光波模式一一. 光的基本特性

3、光的基本特性3、光子模式、光子模式 （粒子性）（粒子性）h：(1) 光子的能量 22 hmcc运动质：；静质为(2) 光子的量 光子的止量0Pmc动：(3) 光子的量 两状态(4) 光子具有种偏振022nkhk波矢量波矢量(普朗克常数普朗克常数 = 6.626068 10-34 m2 kg / s)4040年后，受激辐射在年后，受激辐射在激光激光技术技术 中得到应用中得到应用19131913年，波尔提出原子中电子运动状年，波尔提出原子中电子运动状态态量子化假设量子化假设爱因斯坦首先提出爱因斯坦首先提出受激辐受激辐射和自发辐射射和自发辐射的概念的概念19171917年年 19001900年，普朗

4、克利用年，普朗克利用辐射量子化辐射量子化假假设成功解释设成功解释黑体辐射黑体辐射分布规律分布规律它是激光它是激光器的物理器的物理基础基础二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用任何物体都具有不断辐射、吸收、发射任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电电磁波磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。段是不同的，也就是具有一定的谱分布。二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用1、原子能级结构二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用 光与物质相

5、互作用的三个过程：为简化问题，我们只考虑原子的两个能级E2和E 1并有 E2E 1 = h单位体积内处于两能级的原 子数分别用n2和n1，如图所示。 E2、n2E1、n1爱因斯坦从辐射与原于相互作用的量子论观点出发，提出，光与物质相互作用的三个过程： 自发辐射跃迁 受激辐射跃迁 受激吸收跃迁二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同为非相干光。各原子自发辐射发出的光彼此独立 频率、偏振、相位等不一定相同为非相干光二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用2E1E发光前h

6、h发光后h21hEE 受激辐射：处于高能级上的原子，受到能量为hn= E2- E1的外来光子的激励，由高能级受迫跃迁到低能级，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用不相干 受激辐射与自发辐射的区别自发辐射自发辐射-不受外界辐射场控制-自发过程。相位是无规则分布的，传播方向和偏振方向也是无规则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有模式上。二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用相干光受激辐射与自发辐射的区别受激辐射与自发辐射的区别受激辐射受激辐射-在外界辐射场的控制下的发光过程，各原子的受激辐射具有和外界辐射场相同的相位,受激辐射光子与入射(激励)光子

7、属于同一光子态；受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢(传播方向)和偏振。1.受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。 光的相干性？二二. 光与物质的相互作用光与物质的相互作用受激吸收：原子因受满足频 率条件的光子的激励而跃迁到 较高能态的过程2E1E吸收前h吸收后21hEE 三三. 激光的基本原理激光的基本原理1. 激光的产生三三. 激光的基本原理激光的基本原理1. 激光的产生激光的产生粒子数反转是产生激光的必要条件粒子数反转是产生激光的必要条件如何打破热平衡条件，实现粒子数反转？如何打破热平衡条件，实现粒子数反转？三三. 激光的基本原理激光的基本原理2. 激光的组成指为使激光工作物质

8、实现并维持粒子数反转而提供能量来源指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。的机构或装置。 光学激励光学激励(光泵光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转，整个激励装置，通常是由质以实现粒子数反转，整个激励装置，通常是由气体放电气体放电光源光源（如（如氙灯氙灯、氪灯氪灯）和聚光器组成）和聚光器组成 气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电极和放电电源电源组成。组成。 化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。应的引发措施。 核能激励。是利用小型核能激励。是