第八篇激光原理演示文稿

第八篇激光原理演示文稿第一页，共二十四页。（优选）第八篇激光原理第二页，共二十四页。当光与物质的相互作用时,原子的能级发生改变:原子可以从高能级跃迁到低能级,释放出能量.原子可以吸收光子从低能级跃迁到高能级.若以辐射电磁波的形式释放能量—辐射跃迁若释放的能量转化为体系的热运动动能—无辐射跃迁在物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程:自发辐射,受激辐射和受激吸收在实际的粒子系统中,这三种过程是同时存在并互相关联的.一、受激吸收、自发辐射和受激辐射第三页，共二十四页。E2E1N2N1h外来光也有可能被吸收，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：

B12——

吸收系数令W12=Ｂ12(

、T)

W12

单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率.1、受激吸收第四页，共二十四页。

设N1

、N2—单位体积中处于E1

、E2

能级的原子数

单位体积单位时间内，从E2

E1自发辐射的原子数：E2E1N2N1h处于高能级E2的原子自发地向低能级E1跃迁而放出光子单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率.

写成等式

Ａ21自发辐射系数

各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光.2、自发辐射第五页，共二十四页。E2E1N2N1全同光子h处于高能级E2的粒子在外来辐射的作用下,跃迁回低能级E1,同时发射一个与外来辐射相同频率的光子.外来光频率满足:单位体积中单位时间内，从E２

E１受激辐射的原子数：其中(,T)表示温度为T频率为的辐射能量体密度(外来光子数密度).3、受激辐射第六页，共二十四页。若写成等式B21为受激辐射系数W21单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率.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令W21=

B21·

（,T）——有光的放大作用。第七页，共二十四页。A21

、B21

、B12称为爱因斯坦系数.1917年爱因斯坦从理论上得出:爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。B21=B12热平衡时,从E2→E1和粒子数应等于从E1→E2的粒子数即:或:—爱因斯坦关系4、爱因斯坦关系第八页，共二十四页。处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布

若E2>E

1，则两能级上的原子数之比:

即能级越高,粒子数越少.

数量级估计：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;二、激光的形成第九页，共二十四页。1、粒子数反转从E2→E1

自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。必须N2>N1（粒子数反转）。因B21=B12

W21=W12产生激光必须

第十页，共二十四页。(2)外界能源的激励(称为泵或抽运)能破坏热平衡,使处于基态的原子选择性地激发到高能级,实现两能级E2和E1的粒子数反转.实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质.(1)能实现粒子数反转的介质（激活介质）外界激励的几种基本方式：

气体放电激励

原子间碰撞激励

光激励(光泵)2、实现粒子数反转的条件第十一页，共二十四页。3、能实现粒子数反转的能级系统亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能级寿命τ很短（τ~10-8s）。而亚稳态能级的寿命可达ms甚至s数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的条件。具有亚稳态能级的物质可以作为激光工作物质。激光工作物质在激励能源的作用下，实现并维持粒子数反转分布状态，通常称为激活介质。激光工作物质参与产生激光的能级有三个或四个，分别叫做三能级系统和四能级系统。第十二页，共二十四页。三能级系统E3与E1构成一个宽吸收带,E3上的原子无辐射跃迁到E2,

E2与E1构成粒子数反转,三能级体系效率不高.四能级系统E3E1寿命短,E2是亚稳态,因此能容易实现E2与E1能级的粒子数反转,四能级体系效率高激励抽运E1E2E3A21W12W21激励抽运A21W12W21E1E2E3E03、能实现粒子数反转的能级系统第十三页，共二十四页。3．激光器的结构激活介质激励能源光学谐振腔激光束(1)工作物质;激光器通常由工作物质、光学谐振腔、激励能源三部分组成。工作物质的特点：光学性质均匀、透明性好、稳定性好；有亚稳态能级；有较高的量子效率。第十四页，共二十四页。受激辐射的光子处于相同状态——相干光场.自发辐射的光子处于非相干状态.要使受激辐射为主,则要求W21=B21()<A21即要求:即相干光场的单色辐射能量密度大于某个最小值.要增大()必须使激活介质长度远大于其横向尺寸.即由自发辐射光子不断引起受激辐射,使()不断增大.(2)光学谐振腔第十五页，共二十四页。光学谐振腔的作用：①使非轴向光逸出腔外,轴向光来回反射;②延长介质长度,增强光放大;它由两个反射镜和激活介质构成一个光学谐振腔。实际介质并不足够长,只有采用光学谐振腔激励能源全反射镜部分反射镜激光第十六页，共二十四页。③使激光具有极好的方向性,只沿轴线发射;

④使激光具有极好的单色性（选频性）.对于可能有多种跃迁的情况，利用光的干涉条件谐振腔的长度与波长满足:不满足此频率的光将得不到加强而被淘汰.阈值——维持振荡的条件谐振腔内粒子数反转密度愈大,光放大的增益越高.同时,光子减少的过程—损耗也存在(多种原因).只有当增益大于损耗时,才能维持光振荡.维持振荡所需最小反转密度叫阈值反转密度.只有外界提供的能量超过其阈值时才能有激光输出.第十七页，共二十四页。(3)激励能源为工作物质提供能量，使其实现并维持粒子数反转的装置称为泵，常用的泵有：化学泵气体放电泵离子束泵第十八页，共二十四页。1方向性好（发散角～10-4弧度）一束激光射到~38万km的月球上，光斑的直径只有~2km手电筒的光射到数m处，扩展成很大的光斑。利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.三、激光的特性第十九页，共二十四页。2亮度高——脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。第二十页，共二十四页。激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。在工业上，激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器第二十一页，共二十四页。3

单色性好单色性最好的氪灯Kr86

Δ=4.7×10-3nm

稳频He—Ne激光器激光的单色性比普通光高倍.第二十二页，共二十四页。4相干性好空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。时间相干性好（～10-8埃），相干长度可达几十公里。第二十三页，共二十四页。激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科，主要分为以下几类：激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG(钇铝石榴石)激光器，CO2激