光學(xué)_08光與物質(zhì)的相互作用光的量子性

1、1 第七章第七章 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用 光的量子性光的量子性 課程的引入課程的引入: 一、前面各章主要講授光的傳播，從幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)探討了物的成像和光的干涉、衍射；除了研究了在各向同性均勻媒質(zhì)中光的傳播，還研究了光在各向異性媒質(zhì)中的傳播，主要是光在單軸晶體內(nèi)的傳播，如雙折射現(xiàn)象，光學(xué)偏振器，波晶片等；其有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即光在媒質(zhì)內(nèi)傳播的過(guò)程光在媒質(zhì)內(nèi)傳播的過(guò)程中，不存在能量的損失。中，不存在能量的損失。2 二、除了真空，沒(méi)有一種媒質(zhì)在嚴(yán)格意義上對(duì)光波是絕對(duì)透明的，光通過(guò)媒質(zhì)時(shí)，部分光被媒質(zhì)吸收，另一部分光被散射，余下來(lái)的部分按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)；另一方面，不同波長(zhǎng)的光

2、在媒質(zhì)中有不同的傳播速度，即媒質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率；一束白光或多色光只要入射角不為零，不同波長(zhǎng)的光就會(huì)按不同折射角而散開，這就是色散（如以前所講過(guò)的三棱鏡的色散）。3 三、光的吸收、色散和散射是光在媒質(zhì)中傳播所發(fā)生的普遍現(xiàn)象，它們之間是相互聯(lián)系的，研究這類現(xiàn)象，一方面可以了解光與物質(zhì)的相互作用，有助于對(duì)光的本性的進(jìn)一步了解，也可以得到許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要知識(shí)，促進(jìn)應(yīng)用光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。4 1 光的吸收光的吸收 1.1吸收的線性規(guī)律吸收的線性規(guī)律 1、光的強(qiáng)度隨穿進(jìn)媒質(zhì)的深度而減小，這種現(xiàn)象稱為媒質(zhì)對(duì)光的吸收。 2、仔細(xì)研究表明，媒質(zhì)對(duì)光的吸收還應(yīng)區(qū)分為真吸收和散射兩種情況，前者是光

3、能真被媒質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，后者則是光被媒質(zhì)的不均勻性散射到四面八方，本節(jié)講授前一種情況，即真吸收。5 3、吸收的線性規(guī)律、吸收的線性規(guī)律布格爾定律布格爾定律或朗伯定律或朗伯定律 單色平行光束沿X方向通過(guò)均勻媒質(zhì)，光的強(qiáng)度在經(jīng)過(guò)厚度為dx的一層媒質(zhì)時(shí)： I IdI (見(jiàn)圖11)xo。6實(shí)驗(yàn)表明：在相當(dāng)廣闊的光強(qiáng)范圍內(nèi) dI Idx令： dI = Idx 與I無(wú)關(guān)，稱為吸收系數(shù)則: dI/I= dx lnIlnI0= l I=I0el 此稱為布格爾定律或朗伯定律布格爾定律或朗伯定律。Note: 激光出現(xiàn)以后，光強(qiáng)大得多， 與 場(chǎng)強(qiáng)或光強(qiáng)有關(guān)非線光學(xué)領(lǐng)域。71.2 復(fù)數(shù)折射率復(fù)數(shù)折射率1、透明媒質(zhì)

4、折射率：、透明媒質(zhì)折射率：n=c/v n為實(shí)數(shù) 沿X軸方向平面電磁波: E=E0expi(tx/v) =E0expi(tnx/c) 電磁波不隨距離衰減。2、光在媒質(zhì)中傳播存在吸收即衰減,應(yīng)該在波函數(shù)和有關(guān)描述媒質(zhì)性能的物理量中反映出來(lái)，為此引入復(fù)數(shù)折射率。 8復(fù)數(shù)折射率：復(fù)數(shù)折射率：n = n(1+ik) n、k都是實(shí)數(shù) E=E0expi(tnx/c) =E0expitn(1+ik)x/c = E0enkx/c exp i(tnx/c )光強(qiáng)： I EE= E0 2 e2nkx/c 其表示光強(qiáng)I隨距離x衰減，故k稱為衰減系數(shù)與： I=I0el 即 I=I0ex 比較可知: = 2nk/c =4

5、nk/ （ = 2/T= 2 /c) 由此可見(jiàn)，媒質(zhì)的吸收可以歸并到一個(gè)復(fù)數(shù)折射率的概念中去： n的虛部反映了因媒質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的電磁波衰減,而其實(shí)部，則反映傳播速度和色散情況的。 91.3 光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系1、普遍吸收：、普遍吸收：若物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收程度幾乎相等，即吸收系數(shù)與無(wú)關(guān)。 在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，意味著光束通過(guò)媒質(zhì)后只改變強(qiáng)度，不改變顏色。如：空氣、純水、無(wú)色玻璃等媒質(zhì)。2、選擇吸收：、選擇吸收：若物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光吸收特別強(qiáng)烈。 由于可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收，會(huì)使白光變?yōu)椴噬狻＝^大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。103、普遍情形、普遍

6、情形: 從廣闊的電磁波譜來(lái)考慮，普遍吸收是不存在的（選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律），由于選擇吸收，任何光學(xué)材料在紫外和紅外端都有一定的透光極限，這一點(diǎn)對(duì)于制作分光儀器中的棱鏡，透鏡材料選取顯得非常重要。 11 地球大氣層對(duì)可見(jiàn)光和波長(zhǎng)3000A以上的紫外線是透明的，波長(zhǎng)短于3000A的紫外線將被空氣中的臭氧層強(qiáng)烈吸收。 對(duì)于紅外輻射，大氣層在某些狹窄的波段內(nèi)是透明的，透明的波段稱為“大氣窗口”。oo121.4 吸收光譜吸收光譜1、實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖12）132、實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律、實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律（1）、）、物質(zhì)發(fā)射光的光譜有多種線光譜、帶光譜、連續(xù)光譜等。一

7、般而言，原子氣體的光譜是線光譜，而分子氣體、液體和固體的光譜多是帶光譜。（2）、同一物質(zhì)發(fā)射光的光譜和吸收光譜之間存在相當(dāng)嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。即：某種物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長(zhǎng)的光，它就強(qiáng)烈地吸收那些波長(zhǎng)的光。14（3）、鐵的發(fā)射光譜和吸收光譜 (a) :發(fā)射光譜 (b):吸收光譜(a)圖中發(fā)射光譜的亮線與(b)圖中吸收光譜的暗線一一對(duì)應(yīng)。153、應(yīng)用、應(yīng)用（1）探求物質(zhì)的化學(xué)組成成份）探求物質(zhì)的化學(xué)組成成份 太陽(yáng)光譜是典型的暗線吸收光譜，在其連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條的暗線夫瑯和費(fèi)譜線A、B、C、D、 其是太陽(yáng)大氣進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。由此可知太陽(yáng)表面包含哪些元素。其表面：氫（體積占80%）、氦（

8、18%）、還有鈉、氧、鐵、鈣等60種元素。1617（2）新元素的發(fā)現(xiàn)）新元素的發(fā)現(xiàn) 氦、銫、銣、鉈、銦等元素的發(fā)現(xiàn) 1868年法國(guó)人嚴(yán)森在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)一些不知來(lái)源的暗線；英國(guó)天文學(xué)家洛克厄把這一現(xiàn)象解釋為存在一種未知的元素，并將它取名為 helium（氦）。 由于原子吸收光譜的靈敏度很高，混合物或化合物中極少量原子含量的變化，會(huì)在光譜中反映出吸收系數(shù)很大的改變。歷史上就曾靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫、銣、鉈、銦、鎵等多種新元素。由此也可以用這種方法來(lái)測(cè)定物質(zhì)中某一種元素的含量。（3）光的吸收與色散有密切的關(guān)系）光的吸收與色散有密切的關(guān)系 此留在色散一節(jié)中探討。18 2 光的色散光的色散2.1 正常色散

9、正常色散 光在媒質(zhì)中傳播的速度v或折射率n隨波長(zhǎng)而異的現(xiàn)象，稱為色散。 當(dāng)n隨的增加波長(zhǎng)增大而單調(diào)下降，且下降率在短波一端更大，這種色散稱為正常色散。19白光白光紅紅紫紫單棱鏡的色散單棱鏡的色散牛頓用三棱鏡把白光分解為彩色光帶的實(shí)驗(yàn)牛頓用三棱鏡把白光分解為彩色光帶的實(shí)驗(yàn)青青法線法線i1i220牛頓用交叉棱鏡觀測(cè)物質(zhì)色散特性的實(shí)驗(yàn)牛頓用交叉棱鏡觀測(cè)物質(zhì)色散特性的實(shí)驗(yàn)白光白光沒(méi)有沒(méi)有p2加時(shí)加時(shí)如果如果P1與與P2的材料的色散特性不一樣彩帶將會(huì)彎曲的材料的色散特性不一樣彩帶將會(huì)彎曲21幾種常見(jiàn)光學(xué)材料的色散曲線幾種常見(jiàn)光學(xué)材料的色散曲線22正常色散的科稀公式： n=A + B/ 2 + C/ 4

10、A、B、C是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。 當(dāng)變化范圍不大時(shí)，科稀公式可只取前兩項(xiàng)： n=A+B/ 2232.2 反常色散反常色散 實(shí)驗(yàn)表明，在強(qiáng)烈吸收的波段，色散曲線的形狀與正常色散曲線大不相同，產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲或割斷現(xiàn)象，此稱為反常色散。 反常色散是任何物質(zhì)在吸收線（或吸收帶）附近所共有的現(xiàn)象，本無(wú)所謂“正?！焙?“反?！?，只是歷史上曾這樣稱呼而沿用下來(lái)的。24伍德用交叉棱鏡法觀察鈉蒸汽的色散實(shí)驗(yàn)鈉蒸汽管，相當(dāng)于圖鈉蒸汽管，相當(dāng)于圖21中的中的P2棱鏡棱鏡25石英晶體在紅外區(qū)域中的反常色散特性曲線262.3 一種物質(zhì)的全部色散曲線特性一種物質(zhì)的全部色散曲線特性 各種物質(zhì)的色散曲線各不相同

11、，若考察它們從=0到幾百米的廣闊范圍內(nèi)的全部色散曲線，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們有些共同的特性： 在相鄰兩個(gè)吸收線（帶）之間在相鄰兩個(gè)吸收線（帶）之間n單調(diào)下降，單調(diào)下降，每次經(jīng)過(guò)一個(gè)吸收線（帶），每次經(jīng)過(guò)一個(gè)吸收線（帶），n急劇加大急劇加大;總總的趨勢(shì)是曲線隨的的趨勢(shì)是曲線隨的增加而抬高，即各正常增加而抬高，即各正常色散區(qū)所滿足的科希公式中常數(shù)色散區(qū)所滿足的科希公式中常數(shù)A加大。加大。0時(shí)，任何物質(zhì)的折射率n都等于1，對(duì)于極短波（射線和硬X射線）n略小于1，它表明這時(shí)從真空射向其外表面的電磁波可以發(fā)生全反射。（見(jiàn)下圖）27一種物質(zhì)的全部色散曲線一種物質(zhì)的全部色散曲線28 2.4 相速與群速1. 問(wèn)題的引出

12、問(wèn)題的引出根據(jù)光的微粒說(shuō)：sini1/sini2=v2/v1根據(jù)光的波動(dòng)說(shuō)：sini1/sini2= v1 / v2 = n2/n1=n12 傅科實(shí)驗(yàn)測(cè)得空氣、水中光速之比近于4：3，與空氣到水的折射率相符，論證了波動(dòng)說(shuō)的正確。 邁克耳孫測(cè)空氣CS2中光速比為1.758，相對(duì)折射率為1.64，相差甚遠(yuǎn)，這絕非實(shí)驗(yàn)誤差所致。是什么原因?qū)е逻@種差異？292. 相速、波包、群速相速、波包、群速（1）相速相速 對(duì)于各向同性媒質(zhì)，波面的（等位波面的（等位相面）傳播速度，即稱不相速。相面）傳播速度，即稱不相速。（2）波包波包 在色散媒質(zhì)中只有理想的單色波具有單一的相速，然而理想的單色波是不存在的，因?yàn)椴?/p>

13、不會(huì)無(wú)限長(zhǎng)。 一列有限長(zhǎng)的波相當(dāng)于許多單色波列的迭加。一群?jiǎn)紊ńM成的波列叫做一群?jiǎn)紊ńM成的波列叫做波包。波包。30（3）群速）群速 當(dāng)波包通過(guò)有色散的媒質(zhì)時(shí)，它的各個(gè)單色分量將以不同的相速前進(jìn)，整個(gè)波包在向前傳播的同時(shí)，形狀也隨之改變。 波包中振幅最大的地方叫做它的中心，波包中心前進(jìn)的速度稱為群速。波包中心前進(jìn)的速度稱為群速。31（4）群速的表達(dá)式：）群速的表達(dá)式：3233其中： 高頻波包的傳播速度為 0/k 0 ，其相當(dāng)于“波包”的相速vp ，低頻波包的傳播速度為 0 / k，其即為波包的群速vg 即: vg=d /dk三、群速與相速之間的關(guān)系三、群速與相速之間的關(guān)系 =kvp /k=(

14、2/T) (2 /)=/T=vp vg=d /dk= vp +k dvp /dk= vp dvp /d 瑞利群速公式瑞利群速公式34dvp /d0 vg vp （群速小于相速）dvp /d0 vg vp （群速大于相速）dvp /d=0 vg = vp （群速與相速?zèng)]有區(qū)別） 傅科和邁克耳孫實(shí)驗(yàn)矛盾的解釋：惠更斯原理用折射率法測(cè)出媒質(zhì)中的光速是相速，大多數(shù)其它方法測(cè)出的都是光的信號(hào)速度即群速，折射率等于相速之比折射率等于相速之比，他們所測(cè)的都是空氣和媒質(zhì)中光的群速之比群速之比，由于水的色散率不大，群速與相速的差別不明顯，CS2的色散率較大，測(cè)量的結(jié)果就發(fā)生了較大的分歧。35小結(jié)小結(jié) 本次課探討

15、了光的吸收、色散和群速。 1、 吸收是光與物質(zhì)相互作用的形式之一。吸收分為選擇吸收和普遍吸收。從廣闊的電磁波頻率范圍來(lái)看，選擇吸收 是普遍情形。媒質(zhì)的吸收光譜和其發(fā)射光譜是嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的，由此可以用來(lái)探討物質(zhì)的構(gòu)成和某種元素的含量。由于吸收，光在媒質(zhì)中傳播，強(qiáng)度要減弱，可以通過(guò)定義一個(gè)復(fù)數(shù)折射率，用其虛部來(lái)反映強(qiáng)度衰減的快慢。36 2、色散色散是由于各種不同波長(zhǎng)的光波在同一種媒質(zhì)中的傳播速度不同導(dǎo)致折射率不同而引起的。通過(guò)色散可以分離光譜，制作分光儀，測(cè)定媒質(zhì)的折射率。色散分為正常色散和反常色散，在媒質(zhì)的吸收帶附近其折射率有突變，但在某一段范圍內(nèi)其折射率還是隨波長(zhǎng)的增大而單調(diào)下降，其通過(guò)科稀公

16、式來(lái)具體描述。37 3、群速群速的提出是對(duì)光的波動(dòng)理論的進(jìn)一步深化，指出了光波在傳播過(guò)程中存在相速和群速兩種不同的傳播速度。群速與相速不同，但存在相互聯(lián)系，其體現(xiàn)在瑞利群速公式中。 作業(yè)：P377 7-1 P378 7-338 6 激光激光 激光：激光：Laser(light amplification by stimulated emission of radiation), 輻射的受激發(fā)射光放大。輻射的受激發(fā)射光放大。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2）激光的特點(diǎn)；）激光的特點(diǎn)；1）激光的產(chǎn)生；）激光的產(chǎn)生； 自從美國(guó)人梅曼制造出第一臺(tái)激光自從美國(guó)人梅曼制造出第一臺(tái)激光器以后，到今天人們對(duì)激光并不陌生

17、，如激光開器以后，到今天人們對(duì)激光并不陌生，如激光開刀，可自動(dòng)止血；全息激光照片可以假亂真；還刀，可自動(dòng)止血；全息激光照片可以假亂真；還有激光照排、激光美容等有激光照排、激光美容等.。激光在軍事上也有。激光在軍事上也有廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。引言：引言：39一、激光的產(chǎn)生原理一、激光的產(chǎn)生原理1 1、普通光源發(fā)光、普通光源發(fā)光- -受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收和自發(fā)輻射 1）受激吸收）受激吸收（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱“吸收吸收”）處在低能級(jí)處在低能級(jí)E1的原子受到的原子受到等等于于E2-E1的外來(lái)能量時(shí)的外來(lái)能量時(shí)，吸收這一能量躍遷到高能吸收這一能量躍遷到高能級(jí)的過(guò)程。級(jí)的過(guò)程。E2E1h 402)自發(fā)幅射

18、自發(fā)幅射E2E1E3L1hEE12處在高能級(jí)（處在高能級(jí)（E2）的原子，即使沒(méi)有任何外界）的原子，即使沒(méi)有任何外界的激勵(lì)，總是自發(fā)地躍遷到低能級(jí)（的激勵(lì)，總是自發(fā)地躍遷到低能級(jí)（E1），并），并且發(fā)射一個(gè)頻率為且發(fā)射一個(gè)頻率為 ，能量，能量h =E2-E1的光子的過(guò)的光子的過(guò)程。程。自發(fā)幅射的光是非相干光自發(fā)幅射的光是非相干光41(2) (2) 亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：不滿足選擇規(guī)則的能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：不滿足選擇規(guī)則的能級(jí)( (壽命：壽命： ）s11032 2、受激發(fā)射和光的放大、受激發(fā)射和光的放大 (1) (1) 自發(fā)輻射的選擇規(guī)則：電子從高能態(tài)向低能自發(fā)輻射的選擇規(guī)則：電子從高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷只能發(fā)生

19、在角動(dòng)量量子數(shù)態(tài)的躍遷只能發(fā)生在角動(dòng)量量子數(shù) 相差相差 的兩的兩個(gè)狀態(tài)之間個(gè)狀態(tài)之間 l1 (3) 受激幅射：（受激幅射：（1917年愛(ài)因斯坦提出）年愛(ài)因斯坦提出）處在高能級(jí)上（處在高能級(jí)上（E2）的原子，受到能量恰為）的原子，受到能量恰為h =E2-E1的外來(lái)光子的激勵(lì)（或誘發(fā)，或剌激）從而躍的外來(lái)光子的激勵(lì)（或誘發(fā)，或剌激）從而躍遷到低能級(jí)遷到低能級(jí)E1，并發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子，并發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子“一模一一模一樣樣”的光子的過(guò)程。的光子的過(guò)程。42E2E1外來(lái)光子外來(lái)光子受激幅射光子受激幅射光子與外來(lái)光子頻率與外來(lái)光子頻率相同、相位相同、相同、相位相同、偏振方向和傳播偏振方向和傳播方向相同

20、。方向相同。特點(diǎn)：特點(diǎn)：受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；43(4)激光的產(chǎn)生過(guò)程激光的產(chǎn)生過(guò)程粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2E3E4E1E2能能量量/ )(exp1212kTEENN且粒子數(shù)正常分布是：且粒子數(shù)正常分布是：激光是受激幅射的光，但實(shí)際中還存在自發(fā)幅射激光是受激幅射的光，但實(shí)際中還存在自發(fā)幅射和吸收，和吸收，)/exp(kTEN為了有效地產(chǎn)生激光，要改變這種分布，形成粒子為了有效地產(chǎn)生激光，要改變這種分布，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。44

21、3 3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：產(chǎn)生激光的必要條件、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：產(chǎn)生激光的必要條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2怎樣才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？怎樣才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？1）提供足夠的能量）提供足夠的能量；2）原子在激發(fā)態(tài)多）原子在激發(fā)態(tài)多“呆呆” 一會(huì)一會(huì)；3）減小損失，不斷放）減小損失，不斷放 大。大。 二、二、 激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)1917年，愛(ài)因斯坦提出受激輻射年，愛(ài)因斯坦提出受激輻射451961年年8月，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器在長(zhǎng)春光機(jī)月，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器在長(zhǎng)春光機(jī)所研制成功所研制成功1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫分享諾貝爾物年，湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫

22、分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)理學(xué)獎(jiǎng)19871987年年6 6月，大功率脈沖激光系統(tǒng)月，大功率脈沖激光系統(tǒng)- -神光裝置，在神光裝置，在上海光（學(xué)精密）機(jī)（械研究）所研制成功上海光（學(xué)精密）機(jī)（械研究）所研制成功 1959年，湯斯提出制造紅寶石激光器的建議年，湯斯提出制造紅寶石激光器的建議1958年，湯斯和肖洛發(fā)表年，湯斯和肖洛發(fā)表紅外與光學(xué)激射器紅外與光學(xué)激射器， 巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議1960年，加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼制成了第一臺(tái)紅年，加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼制成了第一臺(tái)紅寶石激光器寶石激光器46三、激光器的結(jié)

23、構(gòu)三、激光器的結(jié)構(gòu) 1 1、工作介質(zhì)：、工作介質(zhì)：產(chǎn)生激光的原子系統(tǒng)或產(chǎn)生激光的原子系統(tǒng)或可以實(shí)現(xiàn)?？梢詫?shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的氣體、液體或固體子數(shù)反轉(zhuǎn)的氣體、液體或固體 所謂能級(jí)合適是指存在所謂能級(jí)合適是指存在“亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)”，即存，即存在激在激發(fā)態(tài)壽命發(fā)態(tài)壽命 =10-3秒左右的能級(jí)（一般原子系統(tǒng)的秒左右的能級(jí)（一般原子系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)壽命只有激發(fā)態(tài)壽命只有10-8秒）秒）E1E2E3激激發(fā)發(fā)能能量量亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)47產(chǎn)生激光的能級(jí)系統(tǒng)（例）產(chǎn)生激光的能級(jí)系統(tǒng)（例）（1） 三能系統(tǒng)三能系統(tǒng)（2 2）四能級(jí)系統(tǒng)）四能級(jí)系統(tǒng) 12EEh2E1E3E三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)23EEh4E1E3E2

24、E四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)紅寶石激光器紅寶石激光器銣玻璃激光器銣玻璃激光器482 2、激勵(lì)源、激勵(lì)源( (泵浦或抽運(yùn)泵浦或抽運(yùn)) )：用來(lái)實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。有電激勵(lì)，光激勵(lì)，熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等反轉(zhuǎn)。有電激勵(lì)，光激勵(lì)，熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等 激勵(lì)激勵(lì)-從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級(jí)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級(jí)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程（又稱的過(guò)程（又稱“激發(fā)激發(fā)”、“抽運(yùn)抽運(yùn)” 或或 “泵泵浦浦”）。）。 1）光泵抽運(yùn)）光泵抽運(yùn)如紅寶石激光器如紅寶石激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2E1E2492

25、）電子碰撞）電子碰撞-如氬離子激光器如氬離子激光器電子電子3）化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)如氟化氘激光器等。如氟化氘激光器等。4）共振轉(zhuǎn)移）共振轉(zhuǎn)移如如He-Ne激光器激光器 。-NeHe-NeHe-50要有一個(gè)能使受激幅射和光放大過(guò)程持續(xù)的構(gòu)造：要有一個(gè)能使受激幅射和光放大過(guò)程持續(xù)的構(gòu)造：全反全反射鏡射鏡半反半反射鏡射鏡實(shí)物圖實(shí)物圖原理圖原理圖激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì) 3、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔51激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)全全反反射射鏡鏡半半反反射射鏡鏡工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理52 四、激光器的種類四、激光器的種類1、固體激光器：器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出、固體激光器：器件小、

26、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大功率大2、氣體激光器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，、氣體激光器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，介質(zhì)均勻光束質(zhì)量好且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作介質(zhì)均勻光束質(zhì)量好且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作He-Ne激光器簡(jiǎn)介：最早激光器簡(jiǎn)介：最早(1961)制成且應(yīng)用最廣泛。制成且應(yīng)用最廣泛。激光波長(zhǎng)為激光波長(zhǎng)為632.8納米納米(氖原子發(fā)出氖原子發(fā)出)，采用電激勵(lì)。，采用電激勵(lì)。高壓電源使氣體放電，氦激發(fā)，能量傳遞給氖，四高壓電源使氣體放電，氦激發(fā)，能量傳遞給氖，四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)系統(tǒng)4 4、半導(dǎo)體激光器：體積、質(zhì)量小，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體激光器：體積、質(zhì)量小，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固簡(jiǎn)單而堅(jiān)固 3、 液體激光

27、器：輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，覆蓋面寬液體激光器：輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，覆蓋面寬53激光器分類表激光器分類表氣體氣體類型類型增益介質(zhì)增益介質(zhì)波波 長(zhǎng)長(zhǎng) 峰值功率峰值功率 脈沖長(zhǎng)度脈沖長(zhǎng)度He- NeAr633nm488nm1mw10mw連續(xù)波連續(xù)波連續(xù)波連續(xù)波CO2200w10.6 m連續(xù)波連續(xù)波10.6 m5Mw20 ns半導(dǎo)體半導(dǎo)體G a As840nm10mw連續(xù)波連續(xù)波固體固體染料染料化學(xué)化學(xué)準(zhǔn)分子準(zhǔn)分子紅寶石紅寶石(QS)694nm100Mw10nsNd:YAG(QS)1.06 m50Mw20ns1.06 mNd:YAG50w連續(xù)波連續(xù)波Nd:玻璃玻璃Rh6G（ML）10Tw1.06 m11pw

28、10Kw600nm30fsHF50Mw3 m50nsArF10Mw20ns193nmCO2（TEA）54五、激光的特性及應(yīng)用五、激光的特性及應(yīng)用 1. 激光的主要特性激光的主要特性 1、方向性好、方向性好-激光的發(fā)散角小激光的發(fā)散角小。激光器激光器LaserHe-Ne激光經(jīng)緯儀激光經(jīng)緯儀測(cè)月紅寶石激光器測(cè)月紅寶石激光器 =0.031mrad =4 10-5mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）（毫弧度）rlrl(1km時(shí)光斑直徑時(shí)光斑直徑10m)55光源光源2 亮度高、能量集中亮度高、能量集中StEI太陽(yáng)太陽(yáng)123102srWcmI1mW He-Ne激光器激光器1231088srWcmI大功率激光器大功率激光器121791010srWcmI SE光源亮度光源亮度-單位面積、單位時(shí)間在垂直于光源單位面積、單位時(shí)間在垂直于光源表面的單位立體角內(nèi)發(fā)射的能量。表面的單位立體角內(nèi)發(fā)射的能量。立體角定義：立體角定義： = S /r2Sr P=1