量子物理学基础-物理08激光

大连理工大学物理与光电工程学詹卫伸激光简介激光（Laser），

它的全名是：“辐射的受激发射光放大”（Light

amplification

bystimulated

emission

of

radiation）世界上第一台激光器于诞生在

休斯飞机公司。它们的基本原理都是基于1916年受激辐射理论。，§4

激光☆：激光先驱梅曼并被列入

国家发明家名人堂·梅曼（Th reMaiman）,1927–2007年

月

日生于加州洛杉矶尽管

年的

物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，但梅曼仍两次获得

奖提名Maiman在激光器研制方面的贡献得到了

的认可，在1984年Maiman获得了沃尔夫奖（Wolf

prize）☆BasovTownes

Prokhorov汤斯（Charles

HardTownes,1915-）巴索夫（Nikolai

Gennadiyevich

Basov,

1922-）普洛霍罗夫（Aleksandr

Mikhailovich

Prokhorov,1916-）因在量子电子学方面的基础性研究工作他们的工作导致了基于微波

激光（Maser-Laser）原理的振荡器和放大器的建成——获得了1964年度

物理学奖。☆▲我国第一台激光器长春光学精密机械研究室王之江等几位同事共同实验研制的。工作物质是红宝石晶体。时间是1961年9月。中国，物理学家。江苏常州人。出生1952年毕业于大连大学工学院物理系。中国械光学精密机研究员。王之江☆—激光的基本原理：在原子内存在受激吸收、自发辐射和受激辐射三种过程。普通常见光源的发光(如电灯、火焰、

的发光)原理，是受激吸收和自发辐射。激光的原理是原子的受激辐射。☆物质在受到外来能量(如光能、电能和热能等)作用时，处于低能态(或基态)

E1

的原子，吸收能量为h的一个光子，E2跃迁到高能态h

E2

E1hE2E1

●

N2N11受激吸收☆2自发辐射处在高能级的电子很短在没有外界作用下会自发地向低能级跃迁。跃迁时将产生电磁辐射，另外，由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一定范围。辐射光子的能量满足玻尔频率条件E2

E1

h原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的，相位、偏振状态也各不相同。hE2E1

●

N1N2~

109

s108(一般为)，☆3

受激辐射：当一个外来的入射光子的能量等于相应的能级差，而且在高能级上有原子存在，处于高能态E2

的原子，在能量为h

E2

E1的外来光子诱发下跃迁到低能态(或基态)E1同时辐射出光子。E2

N2E1N1h

●

受激辐射所产生的光子具有与外来光子完全相同的特性。它们的频率、相位、振动方向、方向均相同。☆●4

光放大在一种材料中，如果有一个光子

了一次受激辐射，就会产生两个相同的光子。这两个光子如果都再遇到类似的情况，就能够产生4个相同的光子。由此可以产生8个、1

6个……为数目不断倍增的光子，这就可以形成“光放大”。hE2E1N1N2●●

●h☆5

原子跃迁理论在原子内存在受激吸收、自发辐射和受激辐射。设

N1

、N2

为单位体积中处于

E1

、

E2

能级的原子数。E2

N2E1N1☆21

2

A

Ndt

dN

21

自发是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。21A为自发辐射系数，hE1

●

N1E2N2自发辐射单位体积中单位时间内，E2

E1从

自发辐射的原子数：☆2

W21

N221

B

、T

Ndt21

受激

dN单位体积中单位时间内，B

21

为受激辐射系数；W21为单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及

方向均相同。受激辐射E2E1N2N1h●hE2

E1从

受激辐射的原子数：☆12

1112

B

,T

N

W

Ndt

dN

12

吸收而从

的原子数：E1

E2B12

为吸收系数；受激吸收，使原子从

E1

E2

跃迁。hE2E1N2N1●受激吸收单位体积中单位时间内因吸收外来光W12

为单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。☆在1917年就已经从理论上给出到低能态E1而使原子从高能态

E2跃迁的受激辐射概率W21一个入射的光子被原子吸收而使原子从低能态

E1跃迁到高能态

E2

的受激吸收概率

W12

，与一个入射的光子

原子受激辐射是相等的。B

12

B

21W12

W21☆看来，只要有一个适当的光子入射到给定的材料内就可以很容易地得到光放大了。其实不然，这里还有原子数的问题。W12

W2112

1112

B

,T

N

W

Ndt

dN

12

吸收21

2221

B

、T

N

W

Ndt21

受激

dN☆由于

E2

E1

，所以N2

N1。氢原子基态能量为E1

13.6eV第一激发态能量为

E2

3.4eV在室温时：N2N1

exp[400]

0麦克斯韦—玻尔兹曼分布规律N2

N1

exp[(E2在通常热平衡条件下，

E1)

/

kT

]室温下，全部氢原子几乎都处于基态。☆N2

N112

1

W

Ndt

dN

12

吸收21

2

W

Ndt21

受激

dN12

21W

W合适的光子入射到处于正常状态的材料中，主要的还是被吸收而使原子从低能态跃迁到高能态，几乎没有使原子受激辐射。处于高能态的原子，主要发生自发辐射而从高能态跃迁回低能态，不可能发生受激辐射光放大现象。☆N2

N112

1

W

Ndt

dN

12

吸收21

2

W

Ndt21

受激

dN12

21W

W如果要想实现“受激辐射的粒子数（不是概率）大于受激吸收的粒子数（不是概率）”，进而实现“光放大”，必须使处于高能态的粒子数大于低能态的粒子数，N2

N1－粒子布居数反转☆要想实现光放大，必须使材料处于一种“反常”状态，N2

N1要想使处于正常状态的材料转化为这种状态，必须激发低能态的原子使之跃迁到高能态，而且在高能态有较长的“ ”。激发的方式有光激发、碰撞激发等方式。☆6 He

Ne

气体激光器He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5:1

10:1

。所发激光是氖原子发出的，波长为632.8nm的红光，它是氖原子由5s能级跃迁到3p能级的结果。☆He亚稳态20.61eV21

S11

S当激光管加上电压后，管内产生电子流，运动的电子与氦原子的碰撞可使之升到能级20.61eV

上的21

S

态。电子碰撞跃迁

21

S

态的氦原子不能自发辐射回到11S

，氦原子的21

S

态的相对地较长(这种状态叫亚稳态)。632.8nm

激光的产生☆例子He碰撞转移亚稳态亚稳态Ne电子碰撞跃迁5S20.66eV20.61eV21

S11S2P氦原子的

21

S

能级与氖原子的

5S

能级(20.66eV

)非常接近。处于激发态21

S的氦原子与处于基态(2P)的氖原子相碰时，将能量传给氖原子使之达到态5S

。氖原子的5S态也是亚稳态☆He碰撞转移亚稳态亚稳态Ne电子碰撞跃迁5S20.66eV20.61eV21

S11S2P☆处于5S态的氖原子不能直接自发辐射回到2P

态，要经过中间态3P（18.70eV

）。18.70eV3PHe碰撞转移亚稳态亚稳态Ne电子碰撞跃迁5S20.66eV20.61eV21

S11S2P3PN/N1N2发迁生氖原子的3P态的

很短，处于3P态的

氖原子数迅速通过无辐射跃迁减少。与

18.70eV

实现了氖原子在管

无

5S

态和3P态壁

辐

之间的粒子数碰

射撞

跃

布居反转，N2

N1

☆从而为光放大提供必要条件。He碰撞转移亚稳态亚稳态Ne电子碰撞跃迁5S20.61eV21

S11

S2P18.70eV3PN/N12N与管无壁辐碰射撞跃发迁生受20.66eV一旦有一个光子由于氖原子从5S

态到3P态

自发辐射而产生，这种光将由于不断的受激辐射而成倍地急剧增加，实现光放大。辐射激0.6328m☆Ne23

S21

S11

SHe电子碰撞亚稳态亚稳态1.15m0.6328m2P3P18.70eV4S19.78eV4P3.39m20.30eV5S碰撞转移20.66eV3S16.70eV☆实际情况放电管做得比较细（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，有利于激光下能级4P与3P态的抽空。阅读光学谐振腔为了加强光放大，受激辐射光需要反复通过激活物质，这就需要在激活物质两侧有两个反射镜，构成一个“光学谐振腔”。激励能源全反射镜部分反射镜M

2激光M1☆二

激光器的结构1、激活介质有合适的能级结构，能实现粒子数反转。2、激励能源使原子激发，维持粒子数反转。3、光学谐振腔保证光放大，使激光有良好的方向性和单色性。☆1

工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现已有工作介质近千种，可产生的激光波长从紫外到远红外，波谱范围非常广。阅读2

激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的

方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子

去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源去照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，就必须不断地“泵浦”，以便维持粒子数反转状态。阅读3

谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块光几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回至“工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成

，雪崩似地获得放大，产生

激光，从部分反射镜一端输出。光学谐振腔具有选频作用，使激光具有极好的单色性。阅读2E

（亚稳态）10-3s激励E1（基态）E3

10-8s三能级系统自发阅读E1（基态）四能级系统E2

10-8sE4

10-8sE3

（亚稳态）10-3s激励自发自发阅读三激光器的种类：按工作物质分固体（如红宝石Al