第1讲激光产生基本原理

第1讲:激光的产生基本原理沈阳工业大学理学院杨玉东§1.1激光原理简介一、原子的激发和辐射二、粒子数反转

三、光学谐振腔四、激光的特点五、激光器种类六、应用激光：受激辐射的光放大Laser:

Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation世界上第一台激光器诞生于1960年，红宝石激光器中国1961年基本原理是基于1917年爱因斯坦提出的受激辐射理论一、原子的激发和辐射E2E1N2N1h1.自发辐射原子处于激发态是不稳定的会自发跃迁到低能级同时放出一个光子这个过程叫自发辐射

设N1

、N2为处于E1

、E2能级的原子数E2E1N2N1h则在单位时间内从E2

E1自发辐射的原子数为

Ａ21自发辐射系数----单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率2.受激吸收E2E1N2N1h●另有某个能量为E2的高能级若原子处在某个能量为E1的低能级当入射光子的能量h

等于E2E1时原子就可能吸收光子而从低能级跃迁到高能级这个过程叫受激吸收●E2E1N2N1h●●设N1

、N2分别为处于E1

、E2能级的原子数则单位时间内因吸收光子而从E1E2的原子数为

B12----

吸收系数是频率

=(E2–E1)/h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度B12

---单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率3.受激辐射若入射光子的能量h

等于原子高、低能级的能量差E2E1且高能级上有原子存在时入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级同时，放出一个与入射光子完全相同的光子hE2E1N2N1●●全同光子:频率相位振动方向传播方向相同单位时间内从E2

E1的受激辐射的原子数为B21

---单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率

B21---

受激辐射系数是频率

=(E2–E1)/h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度hE2E1N2N1●●A21

、B21

、B12统称为爱因斯坦系数1917年，爱因斯坦从理论上得出：

B21=B12普朗克黑体辐射公式二、粒子数反转N2<N1N1N2EnNn由大量原子组成的系统,在平衡态,

原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布1.为何要粒子数反转

能量为

E2

E1

的入射光可引起两种过程 必须N2>N1——粒子数布居反转因为B21=B12要产生光放大必须受激辐射受激吸收2.实现粒子数反转的必备条件为了促使粒子数反转的出现必须用一定的手段去激发原子体系1)依靠泵浦源激发原子粒子数反转态是非热平衡态激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等这称为“泵浦”或“抽运”有三能级或三能级以上的能级系统上能级应为“亚稳态”（自发辐射系数小）2)合适能级分布的工作物质红宝石中铬离子能级示意图基态亚稳态激发态下能级不应是基态而且对下下能级的自发辐射要大三、光学谐振腔激励能源全反射镜部分反射镜激光为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过工作物质实现这一目的的装置是光学谐振腔在激活物质两侧配置两个反射镜，就构成了一个“光学谐振腔”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（相当于延长了工作物质）3)使激光具有极好的单色性（选频）小结:激光器的三个主要组成部分1.工作物质：2.激励能源：有合适的能级结构

能实现粒子数反转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使原子激发维持粒子数反转谐振腔激励系统工作物质例：

He—Ne气体激光器的工作原理He是辅助物质Ne是工作物质He与Ne之比为5∶110∶1NeHe共振传递632.8nm自发辐射氦氖气体激光器是四能级系统氖原子在间实现粒子数反转电子碰撞激发管壁效应四、激光的特点1.方向性极好激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级普通光源发出的光辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。激光束是高度平行的光束。2.单色性好小到10-15脉冲瞬时功率可达～1014W3.强度极高聚焦状态可达到可产生108K的高温引起核聚变激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用调Q技术的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性。特制的氦氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪灯只有38.5cm。4.相干性好

2、按工作方式分：连续式脉冲式

3、按波长分：极紫外──可见光──红外/远红外五、激光器种类：固体（如红宝石Al2O3:Cr，YAG:Nd)液体（如染料激光器）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓、GaAs、InGaN）1、按工作物质分：★

军事：激光制导、激光武器★

加工：光刻、焊接、切割、打孔、雕刻★

医疗：美容、手术★

核技术：核聚变点火★

生活：光纤通讯、激光笔、光盘存储★

科技：光源、激光冷却、全息、激光光解六、应用

激光核聚变这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。

激光焊接高能激光（能产生约5500oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素处理前处理后RM1000显微共焦激光拉曼光谱仪光盘存储光纤通信50m100m皮芯（石英）光导纤维光缆光放大器光缆金华传导原理：全反射光纤通信光纤的优越性：•宽带•不受电磁干扰•重量轻•低损耗光纤通信用光源：短距离通信用0.85µm；长距离通信