激光原理及其应用(还匹配相应word版本)ppt课件.ppt

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1、发展历史产生原理技术应用发展前景1 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物科学方法与思考激光原理及应用Nobel指导老师：戴长建学院：理学院班级：11级应用物理一班姓名：陈星妤学号：20113556发展历史产生原理技术应用发展前景2 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物发展历史产生原理技术应用发展前景1234Contents Page目录页* 发展历史产生原理技术应用发展前景3 我吓了一跳，蝎子是多

2、么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物引言为什么我要做关于为什么我要做关于激光原理及应用激光原理及应用的课题？的课题？ 激光被誉为是人类现代科技史上最伟大的发明之一。自激光问世以来，它在军事、工业、国防、生物、化学等领域都有着非常广泛的应用，正在影响和改变和人们的生活。由于激光技术的先进性和精确性，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文就激光的发展历史、产生原理、应用及发展前景做了具体介绍。发展历史产生原理技术应用发展前景4 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也

3、感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物Transition Page过渡页* 发展历史产生原理技术应用发展前景1234发展历史产生原理技术应用发展前景5 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。 美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微微波受激发射放大波受激发射放大（英文首字母缩写maser）。Townes的博士生Gordon Gould创造“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原

4、子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。 美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光。激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。19171917年年19531953年年19571957年年19601960年年19611961年年19621962年年19691969年年19711971年年19741974年年19781978年年19821982年年19831983年年19881988年

5、年19901990年年19911991年年19961996年年20082008年年20102010年年激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。第一个超市条形码扫描器超市条形码扫描器出现1975年：IBM投放第一台商用激光打印机。利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高。第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部第一部CDCD盘盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。里根总统发表了“星球大战星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。北美和欧洲间架设

6、了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器。法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。发展历史1.1 激光的发展史发展历史产生原理技术应用发展前景6 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发

7、展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l1907年诺贝尔物理学奖l迈克尔孙（ Albert Abraham Michelseon，1852-1931）l光学精密计量和光谱学研究l他以精密测量光的速度和以空前的精确度进行以太漂移实验而闻名于世。他发明的以他的名字命名的干涉仪至今还有广泛应用。发展历史产生原理技术应用发展前景7 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺

8、贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l1918年诺贝尔物理学奖l普朗克 Max Karl Ernst Ludwing Planck(1858-1947)l能量级的发现l能量子假设的提出，具有划时代的意义。sJhhh1065. 634-为普朗克常量，其中。，于是就假设一定正比于频率能量元普朗克能量子假设发展历史产生原理技术应用发展前景8 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize

9、） （以下是关于激光技术的理论基础）l1922年诺贝尔物理学奖l尼尔斯玻尔 Niels Bohr 1885-1962l原子结构和原子光谱l尼尔斯玻尔的原子理论取得了很大成功，完满地解释了请光谱的频率规律，即所谓的巴尔默公式。从他的理论推算，各基本常数如电子电荷，电子质量，普朗克常数和里德伯常数之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大进展。 尼尔斯尼尔斯玻尔之所以成功，在于他全面地玻尔之所以成功，在于他全面地集成了前人的工作，正确地加以综合，在旧集成了前人的工作，正确地加以综合，在旧的经典理论和信的实验事实的矛盾面前勇敢的经典理论和信的实

10、验事实的矛盾面前勇敢地肯定实验事实，冲破旧的理论的束缚，从地肯定实验事实，冲破旧的理论的束缚，从而建立了能基本适于原子现象的定态跃迁原而建立了能基本适于原子现象的定态跃迁原子模型。子模型。发展历史产生原理技术应用发展前景9 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l1923年诺贝尔物理学奖l密立根Robert Andrews Millikan 1868-1953 l基本

11、电荷和光电效应实验发展历史产生原理技术应用发展前景10 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l19291929年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l路易斯路易斯德布罗意德布罗意 Prince Louis-victor de Broglie 1892- Prince Louis-victor de Broglie 1892-19871987l电子的波动性电子的波动性ph/

12、德布罗意公式：发展历史产生原理技术应用发展前景11 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l19611961年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l霍夫斯塔特霍夫斯塔特 Robert Hofstadter 1915-1990 Robert Hofstadter 1915-1990l核子结构核子结构l他在电子受原子核散射的先驱性研究及由此他在电子受原子核散射的先驱性研究及由此

13、获得的核子结构的发现获得的核子结构的发现发展历史产生原理技术应用发展前景12 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l19611961年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l穆斯塔尔穆斯塔尔 Rudolf Hofstadter1915-1990Rudolf Hofstadter1915-1990l穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应l他对他对辐射的共振吸收的研究和发现与此练辐射的共振吸

14、收的研究和发现与此练习的以他的名字命名的效应。习的以他的名字命名的效应。发展历史产生原理技术应用发展前景13 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l19631963年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l维格纳维格纳 Eugene Paul Wigner 1902-1995 Eugene Paul Wigner 1902-1995l对原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对

15、原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对称原理的发现和应用所作的贡献对称原理的发现和应用所作的贡献发展历史产生原理技术应用发展前景14 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize） （以下是关于激光技术的理论基础）l19631963年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l格佩特格佩特- -迈耶迈耶 Maria Maria Goeppert 1906-1972Goeppert 1906-1972 延森延森 J.Han

16、s.D.Jensen J.Hans.D.Jensen 1907-19731907-1973l他们在发现核壳层结构方他们在发现核壳层结构方面做了巨大贡献面做了巨大贡献发展历史产生原理技术应用发展前景15 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize）l19641964年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l汤斯汤斯 Charles H.Townes 1915- Charles H.Townes 1915-l汤斯小组历

17、经两年的试验，终于在汤斯小组历经两年的试验，终于在19531953年制成年制成了第一台微波激射器，取名为了第一台微波激射器，取名为“微波激射放大器微波激射放大器”（Microwave Amplification by Stimulated Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation),Emission of Radiation),简称简称MASER(MASER(微波激射微波激射器）。器）。发展历史产生原理技术应用发展前景16 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快

18、，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize）l19641964年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l巴索夫巴索夫Nikolay G.Basov 1922-Nikolay G.Basov 1922- 普罗霍罗夫普罗霍罗夫 Aleksandr M.Prokhorov 1916- Aleksandr M.Prokhorov 1916-l他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器器

19、和放大器发展历史产生原理技术应用发展前景17 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize）l 1968 1968年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l阿尔瓦雷斯阿尔瓦雷斯 Luis W.Alvarez Luis W.Alvarez 1911-19881911-1988l共振态的发现共振态的发现 他对基本粒子物他对基本粒子物理学的决定性贡献，特别是发现理学的决定性贡献，特别是发现了许多共振态，这些发现是由于了许多

20、共振态，这些发现是由于他发展了氢泡室技术和数据分析他发展了氢泡室技术和数据分析方法才成为可能。方法才成为可能。发展历史产生原理技术应用发展前景18 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize）l 1971 1971年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l伽博伽博 Dennis Gabor Dennis Gabor 1900-19791900-1979l全息术的发明全息术的发明发展历史产生原理技术应用发展前景19

21、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize）l19811981年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l布隆姆贝根布隆姆贝根Nicolaas BloembergenNicolaas Bloembergen 肖洛肖洛 Arthur L.SchawlowArthur L.Schawlowl在发展激光光谱学所作在发展激光光谱学所作的巨大贡献的巨大贡献发展历史产生原理技术应用发展前景20 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的

22、东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 激光的发展史发展历史v与与激光激光有关的诺贝尔奖（有关的诺贝尔奖（Nobel Prize）l19971997年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l朱棣文朱棣文Stephen ChuStephen Chu 科恩科恩- -塔诺季塔诺季Claude Cohen-TannoudjiClaude Cohen-Tannoudji 菲利普斯菲利普斯 William D.Phillips William D.Phillipsl激光冷却和陷俘原子激光冷却和陷俘原子发展历史产生原理技术应用发展前景21 我吓了

23、一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物Transition Page过渡页* 发展历史产生原理技术应用发展前景1234发展历史产生原理技术应用发展前景22 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.0 目录产生原理2.1 激光的三大特性 P232.2 物理概念 P242.3 激光产生条件 P452.4 激光器的结构 P51发展历史产生原理技术应用发展前景23 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把

24、它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1激光的三大特性 方向性好：一束激光射到38万km的月球上，光斑的直径只有2km。 单色性好：激光的单色性比普通光高10倍以上。 能量集中：脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。 相干性好：所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。 产生原理均在点击这里返回均在点击这里返回发展历史产生原理技术应用发展前景24 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产

25、生原理2.2物理概念要学习激光的产生原理，首先需要理解以下几个物理概念：要学习激光的产生原理，首先需要理解以下几个物理概念：能级能级 受激辐射受激辐射跃迁跃迁 受激吸收和受激辐受激吸收和受激辐射之间的关系射之间的关系自发辐射自发辐射 粒子数反转粒子数反转受激吸收受激吸收 玻尔兹曼分布规律玻尔兹曼分布规律发展历史产生原理技术应用发展前景25 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念能级 物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是

26、任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。发展历史产生原理技术应用发展前景26 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念能级原子能级图手稿原子能级图手稿能级是用来表达在一定能层上（K K、L

27、 L、M M、N N、O O、P P、Q Q）而又具有一定形状的具有一定形状的电子云电子云的电子。“能级”一词是从物理学中借用过来的概念，原意是说原子由原子核和核外绕核运转的电子构成，电子由于具有不同的能量，就按照各自不同的轨道围绕原子核运转，即能量不同的电子处于不同的相应等能量不同的电子处于不同的相应等级级，这种现象在管理学上同样存在。产生原理产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景27 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念跃迁 电子可以通过吸收或释放能量吸收或释放能量从

28、一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景28 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念跃迁电子能级跃迁图电子能级跃迁图 电子可以通过吸

29、收或吸收或释放能量释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景29 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念跃迁 如图所示，在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相总是与这两能级的能量差相等等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。产生

30、原理发展历史产生原理技术应用发展前景30 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念自发辐射产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景31 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念自发辐射 高能级的电子高能级的电子在没有外界作用下自发地在没有外界作用下自发地迁移至低能级，迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射

31、光子能量为hv=E2-E1，即两个能级之间的能量差。，即两个能级之间的能量差。 这种辐射的特点是每一个电这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是子的跃迁是自发的、独立进行的自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。同的。这样的光相干性差，方向散乱。光源的光主要是靠自发辐射产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景32 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个

32、活的生物产生原理2.2物理概念受激吸收 受激吸收就是受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态迁到高能态。 电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级级。 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）都是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）都是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子吸收外来能量而从低能级跃迁到作用时，原子中的电子吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个高能级，即原子被激发。激发的过程是一个

33、“受激吸收受激吸收”过过程。程。产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景33 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念受激辐射产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景34 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念受激辐射 受激辐射是指处于高能级的电子在光子的受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激刺激”或者或者“感应感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光

34、子同样频率的光子。下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。 受激辐射的最大特点是受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。这正是产生激光的基本过程。产生

35、原理发展历史产生原理技术应用发展前景35 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念受激吸收和受激辐射之间的关系 受激吸收和受激辐射之间的关系那么到底原子吸收外来的光子后，是表现为呢?还是表现为呢？产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景36 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理 在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级

36、。而自发辐射产生的光子既可以去有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。吸收总是同时存在的。2.2物理概念受激吸收和受激辐射之间的关系产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景37 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生

37、物产生原理 如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原

38、子数量之比。取决于高、低能级的原子数量之比。2.2物理概念受激吸收和受激辐射之间的关系产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景38 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理 若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规玻尔兹曼分布规律律。 因此，位于高能级的原子数总是少于低

39、能级的原子因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。衡的体系中去寻找。2.2物理概念受激吸收和受激辐射之间的关系产生原理产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景39 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比

40、处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激目比处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。，这种情况，称为粒子数反转。2.2物理概念粒子数反转粒子数反转示意图粒子数反转示意图产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景40 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2

41、.2物理概念粒子数反转但是在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。如何才能达到粒子数反如何才能达到粒子数反转状态呢？转状态呢？ 这需要利用激活媒质。所谓激活这需要利用激活媒质。所谓激活媒质媒质(也称为放大媒质或放大介质），也称为放大媒质或放大介质），就是可以使就是可以使某两个能级间呈现粒子数某两个能级间呈现粒子数反转的物质。反转的物质。它可以是气体，也可以它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能要

42、想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。级系统。产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景41 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念玻尔兹曼分布规律路德维希路德维希玻尔兹曼玻尔兹曼(Ludwig Edward Boltzmann 1844.2.20-(Ludwig Edward Boltzmann 1844.2.20-1906.9.5)1906.9.5)，热力学和统计物理学的奠基人之一。，热力学和统计物理学的奠基人之一。玻尔兹曼玻尔兹曼18441844年出生于奥地利的维也纳，年

43、出生于奥地利的维也纳，18661866年年获得维也纳大学博士学位。获得维也纳大学博士学位。玻尔兹曼的贡献主要在热力学和统计物理方面。玻尔兹曼的贡献主要在热力学和统计物理方面。18691869年，他将麦克斯韦速度分布律推广到保守力年，他将麦克斯韦速度分布律推广到保守力场作用下的情况，得到了场作用下的情况，得到了玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律。18721872年，玻尔兹曼建立了年，玻尔兹曼建立了玻尔兹曼方程玻尔兹曼方程（又称输运方（又称输运方程），用来描述气体从非平衡态到平衡态过渡的程），用来描述气体从非平衡态到平衡态过渡的过程。过程。18771877年他又提出了著名的年他又提出了著名的玻尔兹曼熵公

44、式玻尔兹曼熵公式。产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景42 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念玻尔兹曼分布规律 在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即Nee(-E/kT)，这就是著名的波耳兹曼分布规律。Nee(-E/kT)于是在上、下两个能级上的原子数密度比为：N2/N1e-(E2-E1)/kT 式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2E1，所以N2N

45、1。产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景43 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念玻尔兹曼分布规律产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景44 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.2物理概念玻尔兹曼分布规律 值得注意的是，在环境温度不同的条件下所测量求得的k值，并没有受到影响，与理论推导值k=1.38066210-23J/K，相对误差都在0.1%以内，较精确地

46、计算出k值。两次的拟合指数均是0.99997，从而可以看出U2与U1之间能够很好的满足指数规律。实验误差产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景45 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.3激光产生过程产生激光的三大条件产生激光的三大条件能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；反转分布状态的增益介质；要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转粒子数反转n n2 2-n-n1 1g g

47、2 2/g/g1 100（方法是利用外界激（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级）；励能源把大量粒子激励到高能级）；要使受激发射光强超过自发发射，必须提高要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度光子简并度 。（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性）。高腔内光场的相干性）。n产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景46 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.3激光产生过程 首先首先，原子吸收外部注入的能量，跃迁至

48、受激态（原子吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。）。原子处于受激态的时间非常短，大约为原子处于受激态的时间非常短，大约为107秒后，它便会落秒后，它便会落到一个称为亚稳态（到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是长，大约是103秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是态称就是粒子数反转。粒子数反转。产生原理产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景47 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和

49、恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.3激光产生过程 以红宝石激光器为例，以红宝石激光器为例，它由它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。微量的铬原子。微量的铬原子微量的铬原子产生原理产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景48 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生原理2.3激光产生过程 在开始时，闪光灯在

50、开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃到激发，最外层的电子跃迁到受激态。迁到受激态。 此时，有些电子会透此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增受激辐射，使激光的强度增加。加。产生原理产生原理发展历史产生原理技术应用发展前景49 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到