第二講激光的基礎(chǔ)知識

1、 激光的基本知識激光的基本知識四 激光的特點三 激光的基本原理 五 激光的應(yīng)用 激光的基本知識激光的基本知識二 光與物質(zhì)的相互作用一 光的基本特性2一一. 光的基本特性光的基本特性1、光的波粒二象性、光的波粒二象性光的波粒光的波粒二象性二象性波動性波動性粒子性粒子性電磁理論電磁理論波動屬性：波動屬性：光波模式光波模式光子理論光子理論粒子屬性：粒子屬性：光子態(tài)光子態(tài)電磁波電磁波-電磁場是電磁場是E和和B的振動由近及遠傳播的過程的振動由近及遠傳播的過程uZXYEB光矢量，橫波光矢量，橫波(振動方向和傳播方向垂直）振動方向和傳播方向垂直）.一一. 光的基本特性光的基本特性2、光波模式（波動性）、光波

2、模式（波動性）光波具有一定的光波具有一定的偏振偏振、傳播方向傳播方向和和頻率頻率2( , )it ikrE r tAe一一. 光的基本特性光的基本特性2、光波模式、光波模式 （波動性）（波動性）(1) (1) 波長波長 : : 振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。(2) (2) 光速光速882.998 10/3 10/cm sm s (3) (3) 頻率：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)頻率：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)T1(4) (4) 三者的關(guān)系三者的關(guān)系在真空中在真空中 0c一一. 光的基本特性光的基本特性2、光波模式、光波模式一一. 光的基本特性

3、光的基本特性3、光子模式、光子模式 （粒子性）（粒子性）h：(1) 光子的能量 22 hmcc運動質(zhì)：；靜質(zhì)為(2) 光子的量 光子的止量0Pmc動：(3) 光子的量 兩狀態(tài)(4) 光子具有種偏振022nkhk波矢量波矢量(普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) = 6.626068 10-34 m2 kg / s)4040年后，受激輻射在年后，受激輻射在激光激光技術(shù)技術(shù) 中得到應(yīng)用中得到應(yīng)用19131913年，波爾提出原子中電子運動狀年，波爾提出原子中電子運動狀態(tài)態(tài)量子化假設(shè)量子化假設(shè)愛因斯坦首先提出愛因斯坦首先提出受激輻受激輻射和自發(fā)輻射射和自發(fā)輻射的概念的概念19171917年年 19001900年，普朗

4、克利用年，普朗克利用輻射量子化輻射量子化假假設(shè)成功解釋設(shè)成功解釋黑體輻射黑體輻射分布規(guī)律分布規(guī)律受激受激輻射輻射受激受激吸收吸收自發(fā)自發(fā)輻射輻射它是激光它是激光器的物理器的物理基礎(chǔ)基礎(chǔ)二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電電磁波磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。段是不同的，也就是具有一定的譜分布。二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用1、原子能級結(jié)構(gòu)二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用二二.

5、光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用 光與物質(zhì)相互作用的三個過程：為簡化問題，我們只考慮原子的兩個能級E2和E 1并有 E2E 1 = h單位體積內(nèi)處于兩能級的原 子數(shù)分別用n2和n1，如圖所示。 E2、n2E1、n1愛因斯坦從輻射與原于相互作用的量子論觀點出發(fā)，提出，光與物質(zhì)相互作用的三個過程： 自發(fā)輻射躍遷 受激輻射躍遷 受激吸收躍遷二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同為非相干光。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立 頻率、偏振、相位等不一定相同為非相干光二二. 光與

6、物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用2E1E發(fā)光前hh發(fā)光后h21hEE 受激輻射：處于高能級上的原子，受到能量為hn= E2- E1的外來光子的激勵，由高能級受迫躍遷到低能級，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用不相干 受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別自發(fā)輻射自發(fā)輻射-1. 不受外界輻射場控制-自發(fā)過程。2. 相位是無規(guī)則分布的，3. 傳播方向和偏振方向也是無規(guī)則分布的，4. 自發(fā)輻射平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用相干光受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別受激輻射受激輻射-1.在外界輻射場的控制下的發(fā)光過程

7、，2.各原子的受激輻射具有和外界輻射場相同的相位,3.受激輻射光子與入射(激勵)光子屬于同一光子態(tài)；4.受激輻射場與入射輻射場具有相同的頻率、相位、波矢(傳播方向)和偏振。5.受激輻射場與入射輻射場屬于同一模式。 光的相干性？二二. 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用受激吸收：原子因受滿足頻 率條件的光子的激勵而躍遷到 較高能態(tài)的過程2E1E吸收前h吸收后21hEE 三三. 激光的基本原理激光的基本原理1. 激光的產(chǎn)生三三. 激光的基本原理激光的基本原理1. 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生三三. 激光的基本原理激光的基本原理2. 激光的組成指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源指為使激光

8、工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機構(gòu)或裝置。的機構(gòu)或裝置。 光學(xué)激勵光學(xué)激勵(光泵光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，整個激勵裝置，通常是由質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，整個激勵裝置，通常是由氣體放電氣體放電光源光源（如（如氙燈氙燈、氪燈氪燈）和聚光器組成）和聚光器組成 氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電極和放電電源電源組成。組成。 化學(xué)激勵。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)激勵。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。應(yīng)的引發(fā)措施。 核能激勵。是利用小型核能激勵。是利