大学物理课件材料10激光.ppt

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1、第二十章 激光,激光,物质 原子体系,基态,激发态,光 光子体系,（能量: h; 动量: h/c; 质量: h/c2),基本模型,考虑与产生激光有关的两个原子能级E1和E2(E2E1)，以使问题大为简化。,一、自发辐射 （spontaneous radiation）,高能级E2上的原子自发地跃迁到低能级E1发出,光子过程，称为自发辐射。,设单位体积中处于E1 、E2能级的粒子数为N1 、N2,E2 E1自发辐射的原子数为,则单位体积中，dt 时间从,它是单个原子单位时间内发生自发辐射概率。,指数衰减律,21 自发辐射系数，,注意到：dN21= dN2 于是有,10 自发辐射的各原子发的光是独立

2、的、无关的非相干光 。,20 考虑原子在E2能级的平均停留时间,称为原子在E2能级的平均寿命。,例:原子在一秒钟内发生自发辐射概率为1/10， 则该原子在激发态E2平均停留时间为 10秒。,一般激发态寿命：,一般亚稳态寿命：,二、吸收（absorption）,外来光频率满足h = E2 E1时，E1能级粒子吸收一个光子，跃迁到E2能级，称为受激吸收,E1 E2受激吸收的原子数为,则单位体积中，dt 时间从,它是单个原子单位时间内发生受激吸收概率。,B12 受激吸收系数，,w 光谱辐射能量密度,受激吸收概率,三、受激辐射 (stimulated radiation),外来光频率满足h = E2

3、E1时，E2能级粒子受其刺激，跃迁到E1能级，同时辐射一个与外来辐射完全相同的光子，称为受激辐射。,E2 E1受激辐射的原子数为,则单位体积中，dt 时间从,它是单个原子单位时间内发生受激辐射概率。,B21 受激发射系数，,受激发射概率,定义,10 受激辐射光与入射光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同有光的放大作用。,2o 实际系统中，三种过程同时存在，只是各种过程所占比重不同。三种过程强弱由三个系数，即A2l、B2l和B 12表征，它们之间关系是,3o 比较受激辐射与吸收的强度，有,在室温下：,问题提出:,我们希望产生光放大受激辐射。,在什么条件下，受激发射可以大于吸收。,一、粒子数反转

4、 (population inversion),单位时间、单位体积内：,吸收的光能量是：,受激辐射的光能量是：,净增加的光能量是：,光强与光能量关系是,利用三个系数关系,增益系数,显然：,光强减少,光吸收,光强增加,光放大,（称为粒子数反转）,二、激光工作物质,问题提出:,在平衡态下，原子数目按能级分布服从玻耳兹曼统计分布：,在什么条件下，可以实现粒子数反转：,寻求具有特殊能级结构的物质；,称为激光工作物质,具有激励能源，使尽可能多的粒子由低能级激发到高能级。,称为泵浦源,1.二能级系统,二能级物质是不能实现粒子数反转。,2.三能级系统,E1基态能级,E2亚稳态能级,E3泵浦的高能级,在E1与

5、E2之间实现粒子数反转，泵浦能量高,3.四能级系统,E1基态能级,E2激光下能级,E3激光上高能级,E4泵浦的高能级,在E2与E3之间实现粒子数反转,三、光学谐振腔(optical harmonic oscillator),若光能多次重复进出工作物质，可以提高光与物质相互作用的等效长度。能够稳定实现光反馈的装置称为光学谐振腔。,（上图是平行平面光学谐振腔的结构示意图）,沿轴向光子，在两反射镜之间往返。引起工作物质的受激发射，产生出频率、位相、偏振方向和传播方向都相同的光子，输出激光。,四、阈值条件,工作物质的吸收、散射和反射镜的吸收、 透射等因素而出现损耗。要产生激光振荡，必须满足一定条件，称

6、之为阈值条件。,光在谐振腔中往返一次，须满足,L是谐振腔腔长；r1、r2是两反射镜光强反射率。,阈值条件,一、激光的纵模和单色性,由于相干性要求，满足相干极大条件光波，才能存在，否则受到抑制，逐渐消失。将腔内允许存在的波长和频率称为激光的纵模。,某时刻A处光有刚产生的, 也有来回反射一次、两次、. . .的, 产生干涉。,相长干涉才有输出, 条件为:,光程差,( k=1、2、3、),例子：氦氖激光器Ne原子的0.6328 m受激辐射光的谱线宽度为，如图示。,k1,2,3,k真空中的波长,n 谐振腔内媒质的折射率, 1.3109 Hz,数量级估计：, 1m ；n 1.0 ； c 108 ms,因

7、此，在 区间中，可以存在的频率种数为：,通过缩短腔长和控制反射镜膜厚等手段可使输出频率数减少。,区间中只存在一种频率。,则k要增大到10倍，,在 区间中只可能存在,例如利用缩短腔长来加大k，可以使 ,一种频率。,（但损失了光强）,获得了线宽极窄的0.6328 m 谱线激光输出。,极大地提高了单色性。,激光束在横截面上光强的分布常呈现一系列有规则的稳定图样，这种稳定分布的图样，称为激光的横模。,表示：用TEMxy表示，TEM是横电磁波的英文缩写，下标x,y是激光束在横截面上x方向、y方向出现暗区的数目。,二、激光的横模和相干性,TEM10，TEM11称为高阶横模。,原因：光束通过反射， 由于反射

8、镜限制，产生 多次衍射，导致光束截 面上能量的稳定分布。 一种稳定的横向光场分 布对应一个横模。,多次衍射导致不同方向光波的混淆，使光束截面上一点振动与截面上各点振动相互关联，使激光具有良好的相干性。,TEM00称为基横模，,三、激光的特点,1.单色性好和波长范围很宽,单色性好：指光源包含的波长范围越窄，或颜色 越单纯,比较：,氪灯，在=6047 处，,=0.0047，10-7,=10-7 ，10-11,氦氖气体激光，=6328 处,波长范围很宽：,不同激光工作物质产生的激光谱线数目已多至上万个，这些谱线覆盖从紫外到远红外的光谱范围，近年来，其波长已扩展到X射线波段。,2.亮度和强度极高,脉冲

9、瞬时功率可达10 14 W,光源亮度：,强度：非聚焦状态 I ,亮度： B,可产生108K的高温，引起核聚变,聚焦状态可达到,3.方向性好,投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里，,发散角可小到 10 -4red（0.1）,测地月距离精度达几厘米。,激光良好的方向性，适合于光盘、激光印刷、 激光打印、激光扫描、激光显示、激光打标 等领域的应用,4.相干性好,空间相干性好，激光波面上各个点可以,时间相干性好，,相干长度可达几十公里。,做到都是相干的。,5.高速调制,半导体激光器，可对激光直接进行高速调制，调制速度可高达几万兆赫，或几万兆比特,适合光通信、光存储、光计算、光印刷等信息领域的需要

10、,6.明显的光压效应,光是有动量: h/c,激光的辐射强度高，可以有明显的光压效应,在微电子领域，可用激光辐射压力来清洗半导体片子；,激光压力形成“光学镊”，将精子和卵细胞无损伤地放到妇女输卵管中，提高怀孕成功率,按工作介质分类:,固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器,按激光输出方式分类：,连续激光器和脉冲激光器,一、典型激光器,2.固体激光器,具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点,连续功率可达万W以上，脉冲峰值功率可高达109W,制备较复杂，因而价格较贵,2.气体激光器, 常见的气体激光器有：HeNe，CO2 ，Ar, 具有结构简单、造价低；操作方便；工作介 质均匀，光束

11、质量好, 品种最多、应用广泛，占有市场达60左右,3.半导体激光器,体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,在光纤通信和光盘技术中有广泛应用,4.液体激光器或染料激光器,5.化学激光器 、X光激光器 、自由电子激光器,二、激光的应用,利用激光高强度、良好的聚焦性(平行性),控制光栅刻机等。,绘制集成电路图，,如芯片电路的准确分割，,切割(连续打孔)：,调节精密电阻，,可在大气中进行。,迅速、非接触，,焊接(烧熔)：,可加工硬质合金钻石等。,钻孔(烧穿)：,加工：,效率高，,雷达（分辨率高，可测云雾）等。,测量：,准直、测距等。,医疗：,激光手术刀，,血管内窥镜，,治癌等。,军事：,激光制导，,

12、激光炮等。,核技术：,激光分离同位素,（还利用了频率,准确的特点），,激光核聚变,（107109K, 氘氚小弹丸）等。,利用激光极好的相干性：,测量：,精密测长、,测厚、,测角，,测流速,（10-5104m/s），,定向（激光陀螺），,测电流、电压（磁光效应），,激光,抗干扰性强。,探测：,微电子器件表面探测,（激光原子力,显微镜可测25个原子厚度的起伏变化)，,单原子探测,（利用光谱分析能测出,1020个原子中的一个原子）。,全息技术：,全息存储，,全息测量，,全息电影，,全息摄影等。,激光光纤通讯：,载波频率高（10111015Hz），,信息容量大，,清晰，,功耗小，,用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着,处理前,处理后,用激光使脱落的视网膜再复位,（目前已是常规的医学手术）,激光焊接,高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起,激光核聚变,这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。,