大學(xué)物理課件 激光

1、前言前言 激光又名鐳射激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大輻射的受激發(fā)射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)28-4 激激 光光. 特點：特點：2）方向性極好）方向性極好脈沖瞬時功率大脈沖瞬時功率大（可達(dá)（可達(dá)10 17瓦）瓦）1）單色性極好）單色性極好3）亮度極高）亮度極高 2）按工作方式分）按工作方式分 連續(xù)式連續(xù)式（功率可達(dá)（功率可達(dá)104 W） 脈沖式脈沖式（瞬時功率可達(dá)（瞬時功率可達(dá)1017 W ） 3) 按波長分：按波長分： (100 n m ） （1.22

2、2 m m ） . 種類：種類：固體固體（如紅寶石（如紅寶石Al2O3） 液體液體（如某些染料）（如某些染料）氣體氣體（如（如He-Ne，CO2）半導(dǎo)體半導(dǎo)體（如砷化鎵（如砷化鎵 GaAs） 1）按工作物質(zhì)分）按工作物質(zhì)分極紫外極紫外可見光可見光亞毫米亞毫米一、一、 粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布 由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計玻耳茲曼統(tǒng)計分布：分布： kTEnneN 若若 E2 E 1，則兩能級上的原子數(shù)目之比，則兩能級上的原子數(shù)目之比 12NN 數(shù)量級估計：數(shù)

3、量級估計：T 103 K；kT1.3810-20 J E 2-E 11eV;12NN高能級上原子數(shù)少高能級上原子數(shù)少 0.086 eV;kTEEe12 08601. e510 1 kTEkTEee12/ 112 kTEEe原子能級分類：原子能級分類：1、基態(tài)能級：、基態(tài)能級：原子最低能級。原子狀態(tài)最穩(wěn)定原子最低能級。原子狀態(tài)最穩(wěn)定2、激發(fā)態(tài)能級：、激發(fā)態(tài)能級：原子停留時間原子停留時間 010-8s3、亞穩(wěn)態(tài)能級：、亞穩(wěn)態(tài)能級：原子停留時間原子停留時間 0 二、二、 自發(fā)輻射、受激輻射和吸收自發(fā)輻射、受激輻射和吸收1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射(spontaneous radiation)E2E1N2N

4、1h 各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、 無關(guān)的無關(guān)的 非相干光非相干光 。2受激輻射受激輻射 (stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同相位及傳播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。（愛因斯坦預(yù)言，為激光器的制作成功所證明）（愛因斯坦預(yù)言，為激光器的制作成功所證明）h 3 . 吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外來光也有可能被吸收，上述外來光也有可能被吸收，使原子從使原子從E1E2。三、三、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

5、1. 為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion)從從E2E1 自發(fā)輻射的光，可能引起自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射受激輻射過程，也可過程，也可能引起能引起吸收吸收過程。過程。產(chǎn)生激光必須使產(chǎn)生激光必須使受激輻射的原子數(shù)受激輻射的原子數(shù)吸收光子的原子數(shù)吸收光子的原子數(shù)12NN 即：造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即：造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)舉例粒子數(shù)反轉(zhuǎn)舉例 例例. He一一Ne 氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) He -Ne 激光器中激光器中He是輔助物質(zhì)，是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，是激活物質(zhì)， He與與 Ne之比為之比為51 1011。諧振腔諧振腔亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)

6、亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) Ne原子原子可以產(chǎn)生多條激光譜線可以產(chǎn)生多條激光譜線, ,圖中標(biāo)明了最強的三條圖中標(biāo)明了最強的三條: :06328 115 m 339 它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)（它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)（ 非基態(tài)）之間發(fā)生的，非基態(tài)）之間發(fā)生的，因此較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因此較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四、光學(xué)諧振腔四、光學(xué)諧振腔 激光器有兩個反射鏡，它們構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔。激光器有兩個反射鏡，它們構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔。激勵能源激勵能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光光學(xué)諧振腔的作用：光學(xué)諧振腔的作用： 1.使激光具有極好的使激光具有極好的方向性方向性（沿軸線）；（沿軸線）； 2.增強增強

7、光放大光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；作用（延長了工作物質(zhì)）； 3.使激光具有極好的使激光具有極好的單色性單色性（只有能夠形成駐波的頻率方能維持振蕩（只有能夠形成駐波的頻率方能維持振蕩選頻）選頻）小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件 . 激勵能源（使原子激發(fā)）激勵能源（使原子激發(fā)） . 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級） .光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性） 激光的特性及其應(yīng)用激光的特性及其應(yīng)用方向性極好的強光束方向性極好的強光束 -準(zhǔn)直、測距、切削、武器等。準(zhǔn)直、測距、切削、武器等。相干性極好的光束相干性極好的光束

8、 -精密測厚、測角，全息攝影等。精密測厚、測角，全息攝影等。例激光光纖通訊例激光光纖通訊由于光波的頻率比電波由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，的頻率高好幾個數(shù)量級， 一根極細(xì)的光纖能承載一根極細(xì)的光纖能承載的信息量相當(dāng)于圖片中的信息量相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能承載這麼粗的電纜所能承載的的信息量。信息量。例例2 . 激光手術(shù)刀激光手術(shù)刀 （不需開胸，不住院）（不需開胸，不住院） 照明束照明束照亮視場照亮視場 纖維鏡纖維鏡激光光纖激光光纖成象成象 有源纖維有源纖維強激光強激光使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂動脈臂動脈主動脈主動脈冠狀動脈冠狀動脈內(nèi)窺鏡內(nèi)窺鏡附屬通道附屬通道有源纖維有源纖維套環(huán)套環(huán)纖維鏡纖維鏡照明束照明束 附屬通道附屬通道 （可注入氣或液）（可注入氣或液） 排除殘物以明視線排除殘物以明視線 套環(huán)套環(huán) （可充、放氣）（可充、放氣）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通例例1. 按照原子的量子理論，原子可以通過按照原子的量子理論