第1讲激光产生的基本原理

1、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,h,1. 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 、

2、E2能级的原子数,则在单位时间内从E2 E1自发辐射的原子数为,21 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,h,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E2 E1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,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

3、原子高、低能级的能量差E2 E1 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,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,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,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

4、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,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,为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过工作物质

5、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,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51 101,Ne,He,氦氖气体激光器是四能级系统,四、激光的特点,1.方向性极好,激

6、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10 14 W,3. 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

7、.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5500 oC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,光导纤维