激光的特點(diǎn)及應(yīng)用

激光的特點(diǎn)及應(yīng)用▲1960年5月（美國）梅曼制成世界上第一臺(tái)激光器▲我國第一臺(tái)激光器是中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究室王之江等幾位同事共同實(shí)驗(yàn)研制的。工作物質(zhì)是紅寶石晶體。時(shí)間是1961年9月。激光是一種新光源，也是一門新興的科學(xué)技術(shù)激光的特點(diǎn)及應(yīng)用一、激光的特點(diǎn)：方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）空間相干性好，有的激光波面上各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。時(shí)間相干性好（～10-8埃），相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。相干性極好單色性好氦——氖激光器發(fā)出的光波長(zhǎng)為632.8nm,波長(zhǎng)范圍為脈沖瞬時(shí)功率大（可達(dá)～1014瓦）亮度極高能量集中二、激光的應(yīng)用激光加工、激光準(zhǔn)直、激光測(cè)距、激光手術(shù)、激光武器、激光核聚變.--------方向性好和能量集中激光測(cè)長(zhǎng)、激光干涉、激光測(cè)流速、激光全息照象、--------激光相干性極好激光通訊、數(shù)據(jù)處理、--------超短脈沖激光激光信息儲(chǔ)存和光計(jì)算機(jī)：光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可高達(dá)每秒百億次.按工作方式分連續(xù)式（功率可達(dá)104

W）

脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014W

）固體（如紅寶石Al2O3）

液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）

半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分三、激光的種類：1、自發(fā)輻射:設(shè)N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2

能級(jí)的原子數(shù)。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)：E2E1N2N1h2激光的產(chǎn)生一、光和原子的相互作用寫成等式

Ａ21自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無關(guān)的非相干光。2．受激輻射:N2E1E2N1全同光子h設(shè)（、Ｔ）……溫度為Ｔ時(shí),頻率為

=(E2-E1)/h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E２

E１

受激輻射的原子數(shù)：寫成等式

B21受激輻射系數(shù)W21單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率。則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------有光的放大作用。令 W21=B21·

（、T）3.吸收:E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子從E1E2。 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來光而從

E1E2的原子數(shù)：寫成等式

B12

吸收系數(shù)令W12=Ｂ12(、T)W12

單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率。A21、B21、B12稱為愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦在1９１７年從理論上得出愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。沒有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向。沒有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。B21=B12二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一.為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn):從E2

E1

自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。 必須N2> N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。因B21=B12

W21=W12產(chǎn)生激光必須

把的原子激發(fā)到高能態(tài)上去，這個(gè)過程叫激勵(lì)，俗稱泵浦。能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。例.He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三、激活物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)反射鏡反射鏡毛細(xì)管陽極陰極布氏窗外腔式He一Ne氣體激光器He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)3P4P2P3S5S4S20.66eV19.78eV20.30eV18.70eV16.70eVHe-Ne激光管的工作原理：由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級(jí))的概率比Ne原子被激發(fā)的概率大；在He

的23S，21S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；在He的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上集聚了較多的原子。由于Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；（要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)）正好Ne的5S，4S是亞穩(wěn)態(tài)，下能級(jí)4P，3P的壽命比上能級(jí)5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在碰撞中He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而Ne則被激發(fā)到5S或4S；放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3

S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無輻射躍遷”而回到基態(tài)，以及時(shí)減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級(jí)4P與3P態(tài)的抽空。

Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條:0．6328ｍ1．15m3．39ｍ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，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四、光學(xué)諧振腔縱模與橫模全反射鏡部分反射鏡激勵(lì)能源激光器有兩個(gè)反射鏡，它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。設(shè)氦氖激光器Ne原子的0．6328m受激輻射光的譜線寬度為,如圖所示。1.3109Hz0I激光的縱膜由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，所以有光程(k=1、2、3、…．)

k—真空中的波長(zhǎng)n—諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率L