激光知识介绍

激光知识介绍激光知识介绍激光知识介绍普通光源-----自发辐射激光光源-----受激辐射前言激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大〞。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)第二章激光2〞通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；第一页，共50页。

普通光源-----自发辐射

激光光源-----受激辐射前言激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大〞。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)第二章激光2第二页，共50页。一.特点：方向性极好〔发散角～10-4弧度〕脉冲瞬时功率大〔可达～1014瓦〕

空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源。时间相干性好〔～10-8埃〕，相干长度可达几十公里。相干性极好亮度极高3第三页，共50页。

按工作方式分连续式〔功率可达104W〕脉冲式〔瞬时功率可达1014W〕

三.波长：极紫外──可见光──亚毫米(100nm〕〔1.222mm〕二.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4第四页，共50页。§1粒子数按能级的统计分布原子的激发

由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：

5第五页，共50页。假设E2>E1，则两能级上的原子数目之比数量级估计：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;6第六页，共50页。但要产生激光必须使原子激发;且N2>N1,称粒子数反转(populationinversion)。原子激发的几种根本方式：1．气体放电激发2．原子间碰撞激发3．光激发(光泵)演示演示7第七页，共50页。

§2自发辐射受激辐射和吸收一.自发辐射(spontaneousradiation)

设N1

、N2—单位体积中处于E1

、E2

能级的原子数。

单位体积中单位时间内，从E2

E1自发辐射的原子数：E2E1N2N1h

8第八页，共50页。写成等式

Ａ21

自发辐射系数，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。9第九页，共50页。二．受激辐射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h

设〔、Ｔ〕……温度为Ｔ时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。10第十页，共50页。

单位体积中单位时间内，从E２

E１受激辐射的原子数：写成等式

B21

受激辐射系数11第十一页，共50页。W21

单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均一样------有光的放大作用。令 W21=B21·〔、T〕12第十二页，共50页。三.吸收(absorption)E2E1N2N1h

上述外耒光也有可能被吸收，使原子从E1

E2。

单位体积中单位时间内因吸收外来光而从

E1

E2的原子数：13第十三页，共50页。写成等式

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。14第十四页，共50页。A21

、B21

、B12称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1９１７年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根底。没有实验家,理论家就会迷失方向。没有理论家,实验家就会迟疑不决。B21=B1215第十五页，共50页。§3粒子数反转一.为何要粒子数反转

(populationinversion)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。16第十六页，共50页。 必须N2> N1〔粒子数反转〕。因B21=B12

W21=W12产生激光必须

17第十七页，共50页。二．粒子数反转举例

例.He一Ne气体激光器的粒子数反转

He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶1

10∶1。18第十八页，共50页。亚稳态

电子碰撞

碰撞转移

亚稳态19第十九页，共50页。He-Ne激光管的工作原理：

由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)

的概率比Ne原子被激发的概率大；

在He

的23S，21S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；

在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。由于Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移〞；20第二十页，共50页。〔要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数〕

正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级4P，

3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S或4S；21第二十一页，共50页。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，3S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。22第二十二页，共50页。

Ne原子可以产生多条激光谱线,

图中标明了最强的三条:0．6328

ｍ

1．15

m3．39

ｍ它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。23第二十三页，共50页。§4增益系数激光器内受激辐射光来回传播时，并存着

增益——光的放大；损耗——光的吸收、散射、衍射、透射〔包括一端的局部反射镜处必要的激光输出〕等。激光形成阶段：增益＞损耗激光稳定阶段：增益＝损耗增益损耗24第二十四页，共50页。

一．激光在工作物质内传播时的净增益

设ｘ＝0处，光强为I0

ｘ

I

ｘ+dx

I+dI

有dI

Idx

写成等式dI=GIdx

定义：增益系数G(gaincoefficient)25第二十五页，共50页。

即单位长度上光强增加的比例。一般G不是常数。为简单起见，先近似地认为G是常数。26第二十六页，共50页。

二.考虑激光在两端反射镜处的损耗

I0

激光从左反射镜出发时的光强。

I1

经过工作物质后，被右反射镜反射出发时的光强。

I0

输出全反射镜局部反射镜I1LI2

再经过工作物质，并被左反射镜反射出发时的光强。I2R1、R2

左、右两端反射镜的反射率.27第二十七页，共50页。显然有I

1=R

2I

0eGLI

2=R1I

1eGL

=R1

R

2

I

0e2GLI

2=R

1I

1eGL

所以

在激光形成阶段即R1

R2e2GL>1或须

I2/I0>128第二十八页，共50页。式中Gm——称为阈值增益，即产生激光的最小增益。

在激光稳定阶段即光强增大到一定程度后须

I2/I0=129第二十九页，共50页。在激光的形成阶段G>Gm,光放大，怎麽光强不会无限放大下去？在激光的稳定阶段怎么又会G=Gm原因是实际的增益系数G不是常量,当I

时，会

G

。这是由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱。〔负反响〕不会。30第三十页，共50页。当光强增大到一定程度，G下降到Ｇm时，增益=损耗，激光就到达稳定了。通常称-----为阈值条件。(thresholdcondition)31第三十一页，共50页。§5光学谐振腔纵膜与横模

(opticalharmonicoscillator)

(longitudinalmodeandtransversemode)激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。激励能源

全反射镜部分反射镜

激光32第三十二页，共50页。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〔延长了工作物质〕；3.使激光具有极好的单色性〔选频〕。阈值条件为对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。选频之一：33第三十三页，共50页。

我们可以控制Ｒ1、Ｒ2的大小：

对0.6328

m——Ｒ1、R2大

——Gm小(易满足阈值条件，使形成激光)

；对1.15m、3.39m——Ｒ1、Ｒ2小——Gm大〔不满足阈值条件，形不成激光〕。例如，假设氦氖激光器Ne原子的0.6328m,1.15m,3.39m受激辐射光中,只让波长0.6328m的光输出，34第三十四页，共50页。设氦氖激光器Ne原子的0．6328m受激辐射光的谱线宽度为,如下图。

0

109Hz对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。选频之二：35第三十五页，共50页。

0

0由于为什么激光的谱线宽度会小到

10-8Å？取绝对值36第三十六页，共50页。由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有光程(k=1、2、3、…．)

k—真空中的波长Lk=1k=2k=3n—谐振腔内媒质的折射率37第三十七页，共50页。可以存在的纵模频率为

相邻两个纵模频率的间隔为

数量级估计：

Ｌ～1ｍ；

n～；

c～３×108m

s38第三十八页，共50页。而氦氖激光器0.6328

m谱线的宽度为

=1．3×109HZ因此，在

区间中，可以存在的纵模个数为39第三十九页，共50页。利用加大纵模频率间隔

k的方法,可以使

区间中只存在一个纵模频率。比方缩短管长Ｌ到10cｍ，

即Ｌ

L/10则

k

10

k在

区间中，可能存在的纵模个数为Ｎ=1。40第四十页，共50页。于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极大地提高了0.6328

m

谱线的单色性。激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。基模高阶横模轴对称分布旋转对称分布41第四十一页，共50页。小结：产生激光的必要条件ｌ.鼓励能源〔使原子激发〕２.粒子数反转〔有适宜的亚稳态能级〕３.光学谐振腔〔方向性，光放大，单色性〕基横模在激光光束的横截面上各点的位相一样，空间相干性最好。42第四十二页，共50页。§6激光的特性及其应用★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--------精细测厚、测角，全息摄影等。43第四十三页，共50页。

例１．激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。44第四十四页，共50页。例2.激光手术刀〔不需开胸，不住院〕

照明束……照亮视场

纤维镜激光光纤…