2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子物理激光器

1、量子物理激光器 能实现粒子数反转的物质，称为激活介质或工作物质要实现粒子数反转激活介质激励能源激励(抽运,光泵)化学气体放电光激励核能激励激活介质的特点: 存在寿命较长(10-3s1s)的激发态亚稳态.如： CO2激光器：(四能级系统)h无辐射跃迁E3E1E2亚稳态E4电抽运受激辐射方向是随机的受激辐射若有一批原子处于高能态(Eh)，则 在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，会通过一系列受激辐射产生不断倍增的相同的光子，光放大(light amplification)作用实现了光放大。一对平行的反射镜，镜面与激活介质的轴线垂直.激活介质全反射镜部分反射镜激励能源激光输出光学谐振腔激光M1M

2、2全反射镜部分反射镜M1M2反射镜构成光学谐振腔.沿轴向传播的光，可在腔内来回反射，不断放大。延长了工作物质（增强光放大作用） 沿轴向传播的光，可在腔内来回反射，不断放大，而沿其它方向传播的光很快逸出。提高激光的单色性 光在腔内来回反射,在谐振腔内形成驻波，两反射镜处必是波节, 结果, 只有半波长的整数倍等于腔长的光才会在腔内存在，选频作用。谐振腔的作用：提高激光的方向性(沿轴线)Notes:谐振腔的阈值条件增益大于损耗 即光在腔内来回一次所得到的放大(称为增益)，超过同一过程中光的损耗(吸收、散射等) 。若在谐振腔内加上一对布儒斯特窗，可得到偏振性极好的线偏振光。e.g.外腔式He-Ne激光

3、器电 源He, Ne布儒斯特窗100%反射99%反射1%透射综上:产生激光必要条件：激励能源（使原子激发）激活介质（合适的能级）光学谐振腔(方向性,光放大,单色性)粒子数反转主要组成部分：激励能源、工作物质、谐振腔激励能源全反射镜部分反射镜激光激光器的种类固体（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 ）激光器激活介质举例 红宝石激光器 (工作物质： 固体Al2O3) E2激发态E0基态hE1亚稳态550.0nm694.3nm光抽运快衰变受激辐射受激跃

4、迁1960第一台固体脉冲激光器 He一Ne 气体激光器 He辅助物质, Ne激活物质, He与 Ne之比为71 .激励办法：气体放电13.39 m432632.8nm1.15mHeNe碰撞转移抽运1. 特点方向性极好: 发散角10 -4弧度单色性极好: :10-610-9 nm小相干性极好是相干光亮度极高: 脉冲瞬时功率大, 可达10 14瓦 激光的特性及其应用2.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，全息摄影等激光的应用激光测距：月地距离误差10-2m激光加工：打孔、切割、焊接、表面处理.激光医疗：激光手术刀，视网膜焊接，角膜切割，肿瘤诊断(光

5、动力学方法)，创伤愈合，针灸、美容等.军事：激光制导, 束能武器, 激光致盲.核技术：分离同位素, 引发核聚变.信息技术：光通信，信息存储，全息照相.1.下面给出的条件中,哪些是产生激光的条件 . （1）自发辐射 （2）受激辐射（3）粒子数反转 （4）三能级系统（5）谐振腔(2)(3)(4)(5)2.光和物质相互作用产生受激辐射时,辐射光和照射光具有完全相同的特性,这些特性是指 .位相 频率 偏振态 传播方向3.激光全息照相技术主要利用激光哪一优良特性？ 4. 激光器中谐振腔的主要作用是 .提高激光束的单色性和方向性5. 激光器的基本结构包括哪三个部分？工作物质、激励源、谐振腔相干性好6. 按工作物质划分, 激光器可以分为哪几类？气体激光器、固体、液体、半导体激光器7. 按照量子理论,原子可以通过哪几种方式发光？ 激光是由什么方式产生的？有自发辐射和受激辐射, 激光由受激辐射产生8. 按照原子的量子理论,原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光,它们所产生的光的特点：（A）两个原子自发辐射的同频率的光是相干的， 原子