大學(xué)物理10激光

1、.激光激光.20.1 物質(zhì)物質(zhì) 原子體系原子體系基態(tài)基態(tài) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 光光 光子體系光子體系（能量（能量: h ; 動(dòng)量動(dòng)量: h /c; 質(zhì)量質(zhì)量: h /c2)基本基本模型模型考慮與產(chǎn)生激光有關(guān)的兩個(gè)原子能級(jí)考慮與產(chǎn)生激光有關(guān)的兩個(gè)原子能級(jí)E1和和E2(E2E1)，以使問(wèn)題大為簡(jiǎn)化。以使問(wèn)題大為簡(jiǎn)化。 一、自發(fā)輻射一、自發(fā)輻射 （spontaneous radiation）高能級(jí)高能級(jí)E2上的原子自發(fā)地躍遷到低能級(jí)上的原子自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1發(fā)出發(fā)出 光子過(guò)程，稱(chēng)為自發(fā)輻射。光子過(guò)程，稱(chēng)為自發(fā)輻射。12EEhE2E1N2N1h . 設(shè)單位體積中處于設(shè)單位體積中處于E1 、E2能能級(jí)的粒

2、子數(shù)為級(jí)的粒子數(shù)為N1 、N2E2 E1自發(fā)輻射自發(fā)輻射的原子數(shù)為的原子數(shù)為 則則單位體積單位體積中，中，dt 時(shí)間時(shí)間從從它是它是單個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率。單個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率。 tANNdd2122tAeNtN21202)(指數(shù)衰減律指數(shù)衰減律dtNAdN22121 21 自發(fā)輻射系數(shù)，自發(fā)輻射系數(shù)，注意到：注意到：dN21= dN2 于是有于是有E2E1N2N1h . 10 自發(fā)輻射的各原子發(fā)的光是自發(fā)輻射的各原子發(fā)的光是獨(dú)立的獨(dú)立的、無(wú)關(guān)的無(wú)關(guān)的非相干光非相干光 。20 考慮原子在考慮原子在E2能級(jí)的平均停留時(shí)間能級(jí)的平均停留時(shí)間022020)(1NdNtN d

3、tNtAN2021201211A 211A稱(chēng)為原子在稱(chēng)為原子在E2能級(jí)的平均壽命。能級(jí)的平均壽命。例例:原子在一秒鐘內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率為原子在一秒鐘內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率為1/10，則該原子在激發(fā)態(tài)則該原子在激發(fā)態(tài)E2平均停留時(shí)間為平均停留時(shí)間為 10秒。秒。一般激發(fā)態(tài)壽命：一般激發(fā)態(tài)壽命：S871010一般亞穩(wěn)態(tài)壽命：一般亞穩(wěn)態(tài)壽命：S310.二、吸收二、吸收（absorption） 外來(lái)光頻率滿(mǎn)足外來(lái)光頻率滿(mǎn)足h = E2 E1時(shí)，時(shí)，E1能級(jí)粒子能級(jí)粒子吸收一個(gè)光子，躍遷到吸收一個(gè)光子，躍遷到E2能級(jí)，稱(chēng)為能級(jí)，稱(chēng)為受激吸收受激吸收E1 E2受激吸收受激吸收的原子數(shù)為的原子數(shù)為 則則單位體積

4、單位體積中，中，dt 時(shí)間時(shí)間從從它是它是單個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收概率。單個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收概率。 dtwNBdN 11212 B12 受激吸收系數(shù)，受激吸收系數(shù)， w 光譜輻射能量密度光譜輻射能量密度 nhw dtNdNwBW1121212 受激吸收概率受激吸收概率E2E1N2N1h h h .三、受激輻射三、受激輻射 ( (stimulated radiation) ) 外來(lái)光頻率滿(mǎn)足外來(lái)光頻率滿(mǎn)足h = E2 E1時(shí)，時(shí)，E2能級(jí)粒子能級(jí)粒子受其刺激受其刺激，躍遷到躍遷到E1能級(jí)，同時(shí)輻射一個(gè)能級(jí)，同時(shí)輻射一個(gè)與外與外來(lái)輻射完全相同來(lái)輻射完全相同的光子，的光子，稱(chēng)為稱(chēng)為受

5、激輻射。受激輻射。E2E1N2N1h E2 E1受激輻射受激輻射的原子數(shù)為的原子數(shù)為 則則單位體積單位體積中，中，dt 時(shí)間時(shí)間從從它是它是單個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射概率。單個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射概率。 dtwNBNd 22121 B21 受激發(fā)射系數(shù)，受激發(fā)射系數(shù)，dtNNdwBW2212121 受激發(fā)射概率受激發(fā)射概率定義定義.10 受激輻射光與入射光的頻率、偏振方向、相受激輻射光與入射光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同位及傳播方向均相同有光的放大作用。有光的放大作用。2o 實(shí)際系統(tǒng)中，三種過(guò)程同時(shí)存在，只是各種實(shí)際系統(tǒng)中，三種過(guò)程同時(shí)存在，只是各種過(guò)程所占比重不同。三種過(guò)

6、程強(qiáng)弱由三個(gè)系數(shù)，過(guò)程所占比重不同。三種過(guò)程強(qiáng)弱由三個(gè)系數(shù)，即即A2l、B2l和和B 12表征，它們之間關(guān)系是表征，它們之間關(guān)系是 2112BB2133218BchA3o 比較受激輻射與吸收的強(qiáng)度，有比較受激輻射與吸收的強(qiáng)度，有11kTheII 自自受受在室溫下：在室溫下：100kTh 受受自自II.20.2 問(wèn)題提出問(wèn)題提出: : 我們希望產(chǎn)生我們希望產(chǎn)生光放大光放大受激輻射。受激輻射。 在在什么條件什么條件下，受激發(fā)射可以大于吸收下，受激發(fā)射可以大于吸收。一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ( (population inversion) )0IIdIIdzozz單位時(shí)間、單位體積內(nèi)：?jiǎn)挝粫r(shí)間、

7、單位體積內(nèi)：吸收的光能量是：吸收的光能量是： hwBNhdN112受激輻射的光能量是：受激輻射的光能量是： hwBNhNd221凈增加的光能量是：凈增加的光能量是：.0IIdIIdzozz hBwNNSdzdtdE)(12光強(qiáng)與光能量關(guān)系是光強(qiáng)與光能量關(guān)系是SdtdEdI cwI hcIBNNdzdI)(12利用三個(gè)系數(shù)關(guān)系利用三個(gè)系數(shù)關(guān)系IdzdI 2212128)( AcNN zeII 0增益系數(shù)增益系數(shù).顯然：顯然：0 光強(qiáng)減少光強(qiáng)減少光吸收光吸收0 光強(qiáng)增加光強(qiáng)增加光放大光放大12NN （稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）（稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）二、激光工作物質(zhì)二、激光工作物質(zhì)問(wèn)題提出問(wèn)題提出: : N2 2

8、11mW10SrmW10216 亮度：亮度： B S p 可產(chǎn)生可產(chǎn)生108K的高溫，引起核聚變的高溫，引起核聚變聚焦?fàn)顟B(tài)可達(dá)到聚焦?fàn)顟B(tài)可達(dá)到217W/cm10 I.3.3.方向性好方向性好 投射到月球（投射到月球（38萬(wàn)公里）光斑直徑僅約萬(wàn)公里）光斑直徑僅約2公里，公里，發(fā)散角可小到發(fā)散角可小到 10 -4red（ 0.1 ） 測(cè)地測(cè)地月距離精度達(dá)幾厘米。月距離精度達(dá)幾厘米。激光良好的方向性，適合于光盤(pán)、激光印刷、激光良好的方向性，適合于光盤(pán)、激光印刷、 激光打印、激光掃描、激光顯示、激光打標(biāo)激光打印、激光掃描、激光顯示、激光打標(biāo) 等領(lǐng)域的應(yīng)用等領(lǐng)域的應(yīng)用 4.4.相干性好相干性好 空間相干

9、性好，激光波面上各個(gè)點(diǎn)可以空間相干性好，激光波面上各個(gè)點(diǎn)可以 時(shí)間相干性好，時(shí)間相干性好，相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。做到都是相干的。做到都是相干的。.5.5.高速調(diào)制高速調(diào)制 半導(dǎo)體激光器，可對(duì)激光直接進(jìn)行高速調(diào)制，半導(dǎo)體激光器，可對(duì)激光直接進(jìn)行高速調(diào)制，調(diào)制速度可高達(dá)幾萬(wàn)兆赫，或幾萬(wàn)兆比特調(diào)制速度可高達(dá)幾萬(wàn)兆赫，或幾萬(wàn)兆比特 適合光通信、光存儲(chǔ)、光計(jì)算、光印刷等信適合光通信、光存儲(chǔ)、光計(jì)算、光印刷等信息領(lǐng)域的需要息領(lǐng)域的需要 6.6.明顯的光壓效應(yīng)明顯的光壓效應(yīng) 光是有動(dòng)量光是有動(dòng)量: : h/ch/c 激光的輻射強(qiáng)度高，可以有明顯的激光的輻射強(qiáng)度高，可以有明顯的光壓效應(yīng)光

10、壓效應(yīng) 在微電子領(lǐng)域，可用激光輻射壓力來(lái)清洗半在微電子領(lǐng)域，可用激光輻射壓力來(lái)清洗半導(dǎo)體片子；導(dǎo)體片子； 激光壓力形成激光壓力形成“光學(xué)鑷光學(xué)鑷”，將精子和卵細(xì)胞，將精子和卵細(xì)胞無(wú)損傷地放到婦女輸卵管中，提高懷孕成功率無(wú)損傷地放到婦女輸卵管中，提高懷孕成功率 .20.4 按工作介質(zhì)分類(lèi)按工作介質(zhì)分類(lèi): : 固體激光器、氣體激光器、液體激光器固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體激光器 按激光輸出方式分類(lèi)：按激光輸出方式分類(lèi)： 連續(xù)激光器和脈沖激光器連續(xù)激光器和脈沖激光器 一、典型激光器一、典型激光器2.2.固體激光器固體激光器 具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)具有

11、器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn) 連續(xù)功率可達(dá)連續(xù)功率可達(dá)萬(wàn)萬(wàn)W以上，脈沖峰值功率可高達(dá)以上，脈沖峰值功率可高達(dá)109W W 制備較復(fù)雜，因而價(jià)格較貴制備較復(fù)雜，因而價(jià)格較貴 .2.2.氣體激光器氣體激光器 常見(jiàn)的氣體激光器有：常見(jiàn)的氣體激光器有：HeHeNeNe，COCO2 2 ，Ar 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介 質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好 品種最多、應(yīng)用廣泛，占有市場(chǎng)達(dá)品種最多、應(yīng)用廣泛，占有市場(chǎng)達(dá)60左右左右 3.3.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固

12、在光纖通信和光盤(pán)技術(shù)中有廣泛應(yīng)用在光纖通信和光盤(pán)技術(shù)中有廣泛應(yīng)用 4.4.液體激光器或染料激光器液體激光器或染料激光器 5.5.化學(xué)激光器化學(xué)激光器 、X光激光器光激光器 、自由電子激光器自由電子激光器 .二、激光的應(yīng)用二、激光的應(yīng)用利用激光高強(qiáng)度、良好的聚焦性利用激光高強(qiáng)度、良好的聚焦性(平行性平行性) 控制光柵刻機(jī)等?？刂乒鈻趴虣C(jī)等。繪制集成電路圖，繪制集成電路圖，如芯片電路的準(zhǔn)確分割，如芯片電路的準(zhǔn)確分割，切割切割(連續(xù)打孔連續(xù)打孔)：調(diào)節(jié)精密電阻，調(diào)節(jié)精密電阻，可在大氣中進(jìn)行?？稍诖髿庵羞M(jìn)行。迅速、非接觸，迅速、非接觸，焊接焊接(燒熔燒熔)：可加工硬質(zhì)合金鉆石等。可加工硬質(zhì)合金鉆石等。

13、鉆孔鉆孔(燒穿燒穿)：加工：加工：效率高，效率高，.雷達(dá)（分辨率高，可測(cè)云霧）等。雷達(dá)（分辨率高，可測(cè)云霧）等。 測(cè)量：測(cè)量：準(zhǔn)直、測(cè)距等。準(zhǔn)直、測(cè)距等。醫(yī)療：醫(yī)療：激光手術(shù)刀，激光手術(shù)刀， 血管內(nèi)窺鏡，血管內(nèi)窺鏡，治癌等。治癌等。軍事：軍事： 激光制導(dǎo)，激光制導(dǎo)，激光炮等。激光炮等。核技術(shù)：核技術(shù)：激光分離同位素激光分離同位素（還利用了頻率（還利用了頻率準(zhǔn)確的特點(diǎn)），準(zhǔn)確的特點(diǎn)）， 激光核聚變激光核聚變（107109K, 氘氘氚小彈丸）等。氚小彈丸）等。利用激光極好的相干性：利用激光極好的相干性：測(cè)量：測(cè)量：精密測(cè)長(zhǎng)、精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)厚、測(cè)厚、測(cè)角，測(cè)角，測(cè)流速測(cè)流速（10-5104m/s），）

14、，定向（激光陀螺），定向（激光陀螺），測(cè)電流、電壓（磁光效應(yīng)），測(cè)電流、電壓（磁光效應(yīng)）， 激光激光.抗干擾性強(qiáng)?？垢蓴_性強(qiáng)。探測(cè)：探測(cè)： 微電子器件表面探測(cè)微電子器件表面探測(cè) （激光（激光原子力原子力顯微鏡可測(cè)顯微鏡可測(cè)25個(gè)原子厚度的起伏變化個(gè)原子厚度的起伏變化)，單原子探測(cè)單原子探測(cè)（利用光譜分析能測(cè)出（利用光譜分析能測(cè)出1020個(gè)原子中的一個(gè)原子）。個(gè)原子中的一個(gè)原子）。全息技術(shù)：全息技術(shù)：全息存儲(chǔ)，全息存儲(chǔ)，全息測(cè)量，全息測(cè)量，全息電影，全息電影，全息攝影等。全息攝影等。激光光纖通訊：激光光纖通訊：載波頻率高（載波頻率高（10111015Hz），），信息容量大，信息容量大， 清晰，清晰， 功耗小，功耗小，.用脈沖的染料激光（波長(zhǎng)用脈沖的染料激光（波長(zhǎng)585nm）處理皮膚色素沉著處理皮膚色素沉著處理前處理前處理后處理后.用激光使脫落的視網(wǎng)膜再?gòu)?fù)位用激光使脫落的視網(wǎng)膜再?gòu)?fù)位（目前已