第八篇激光原理演示文稿當前1頁，總共24頁。（優選）第八篇激光原理當前2頁，總共24頁。當光與物質的相互作用時,原子的能級發生改變:原子可以從高能級躍遷到低能級,釋放出能量.原子可以吸收光子從低能級躍遷到高能級.若以輻射電磁波的形式釋放能量—輻射躍遷若釋放的能量轉化為體系的熱運動動能—無輻射躍遷在物質發光和光吸收過程中,主要涉及三種過程:自發輻射,受激輻射和受激吸收在實際的粒子系統中,這三種過程是同時存在并互相關聯的.一、受激吸收、自發輻射和受激輻射當前3頁，總共24頁。E2E1N2N1h外來光也有可能被吸收，使原子從E1E2.單位體積中單位時間內因吸收外來光而從E1E2的原子數：

B12——

吸收系數令W12=Ｂ12(

、T)

W12

單個原子在單位時間內發生吸收過程的概率.1、受激吸收當前4頁，總共24頁。

設N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2

能級的原子數

單位體積單位時間內，從E2

E1自發輻射的原子數：E2E1N2N1h處于高能級E2的原子自發地向低能級E1躍遷而放出光子單個原子在單位時間內發生自發輻射過程的概率.

寫成等式

Ａ21自發輻射系數

各原子自發輻射的光是獨立的、無關的非相干光.2、自發輻射當前5頁，總共24頁。E2E1N2N1全同光子h處于高能級E2的粒子在外來輻射的作用下,躍遷回低能級E1,同時發射一個與外來輻射相同頻率的光子.外來光頻率滿足:單位體積中單位時間內，從E２

E１受激輻射的原子數：其中(,T)表示溫度為T頻率為的輻射能量體密度(外來光子數密度).3、受激輻射當前6頁，總共24頁。若寫成等式B21為受激輻射系數W21單個原子在單位時間內發生受激輻射的概率.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令W21=

B21·

（,T）——有光的放大作用。當前7頁，總共24頁。A21

、B21

、B12稱為愛因斯坦系數.1917年愛因斯坦從理論上得出:愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎。B21=B12熱平衡時,從E2→E1和粒子數應等于從E1→E2的粒子數即:或:—愛因斯坦關系4、愛因斯坦關系當前8頁，總共24頁。處于熱平衡下的粒子,滿足玻耳茲曼分布

若E2>E

1，則兩能級上的原子數之比:

即能級越高,粒子數越少.

數量級估計：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;二、激光的形成當前9頁，總共24頁。1、粒子數反轉從E2→E1

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

W21=W12產生激光必須

當前10頁，總共24頁。(2)外界能源的激勵(稱為泵或抽運)能破壞熱平衡,使處于基態的原子選擇性地激發到高能級,實現兩能級E2和E1的粒子數反轉.實現了粒子數反轉的介質中激活介質或增益介質.(1)能實現粒子數反轉的介質（激活介質）外界激勵的幾種基本方式：

氣體放電激勵

原子間碰撞激勵

光激勵(光泵)2、實現粒子數反轉的條件當前11頁，總共24頁。3、能實現粒子數反轉的能級系統亞穩態能級：大多數物質原子的激發態都是不穩定的，原子能夠在激發態停留的時間很短，稱之為能級壽命τ很短（τ~10-8s）。而亞穩態能級的壽命可達ms甚至s數量級。當粒子被激發后，能夠在亞穩態能級停留較長時間，以便創造粒子數反轉分布的條件。具有亞穩態能級的物質可以作為激光工作物質。激光工作物質在激勵能源的作用下，實現并維持粒子數反轉分布狀態，通常稱為激活介質。激光工作物質參與產生激光的能級有三個或四個，分別叫做三能級系統和四能級系統。當前12頁，總共24頁。三能級系統E3與E1構成一個寬吸收帶,E3上的原子無輻射躍遷到E2,

E2與E1構成粒子數反轉,三能級體系效率不高.四能級系統E3E1壽命短,E2是亞穩態,因此能容易實現E2與E1能級的粒子數反轉,四能級體系效率高激勵抽運E1E2E3A21W12W21激勵抽運A21W12W21E1E2E3E03、能實現粒子數反轉的能級系統當前13頁，總共24頁。3．激光器的結構激活介質激勵能源光學諧振腔激光束(1)工作物質;激光器通常由工作物質、光學諧振腔、激勵能源三部分組成。工作物質的特點：光學性質均勻、透明性好、穩定性好；有亞穩態能級；有較高的量子效率。當前14頁，總共24頁。受激輻射的光子處于相同狀態——相干光場.自發輻射的光子處于非相干狀態.要使受激輻射為主,則要求W21=B21()<A21即要求:即相干光場的單色輻射能量密度大于某個最小值.要增大()必須使激活介質長度遠大于其橫向尺寸.即由自發輻射光子不斷引起受激輻射,使()不斷增大.(2)光學諧振腔當前15頁，總共24頁。光學諧振腔的作用：①使非軸向光逸出腔外,軸向光來回反射;②延長介質長度,增強光放大;它由兩個反射鏡和激活介質構成一個光學諧振腔。實際介質并不足夠長,只有采用光學諧振腔激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光當前16頁，總共24頁。③使激光具有極好的方向性,只沿軸線發射;

④使激光具有極好的單色性（選頻性）.對于可能有多種躍遷的情況，利用光的干涉條件諧振腔的長度與波長滿足:不滿足此頻率的光將得不到加強而被淘汰.閾值——維持振蕩的條件諧振腔內粒子數反轉密度愈大,光放大的增益越高.同時,光子減少的過程—損耗也存在(多種原因).只有當增益大于損耗時,才能維持光振蕩.維持振蕩所需最小反轉密度叫閾值反轉密度.只有外界提供的能量超過其閾值時才能有激光輸出.當前17頁，總共24頁。(3)激勵能源為工作物質提供能量，使其實現并維持粒子數反轉的裝置稱為泵，常用的泵有：化學泵氣體放電泵離子束泵當前18頁，總共24頁。1方向性好（發散角～10-4弧度）一束激光射到~38萬km的月球上，光斑的直徑只有~2km手電筒的光射到數m處，擴展成很大的光斑。利用激光準直儀可使長為2.5km的隧道掘進偏差不超過16nm.三、激光的特性當前19頁，總共24頁。2亮度高——脈沖瞬時功率大（可達～1014瓦）亮度極高激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發光，亮度極高激光在屏上形成的小光斑，有極大的照度太陽表面的亮度比白熾燈大幾百倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光是當今世界上高亮度的光源。當前20頁，總共24頁。激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產生出巨大的光熱。在工業上，激光打孔、切割和焊接。醫學上視網膜凝結和進行外科手術。在測繪方面，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛星大地測量。在軍事領域，可以制成摧毀敵機和導彈的激光武器當前21頁，總共24頁。3

單色性好單色性最好的氪燈Kr86

Δ=4.7×10-3nm

穩頻He—Ne激光器激光的單色性比普通光高倍.當前22頁，總共24頁。4相干性好空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。時間相干性好（～10-8埃），相干長度可達幾十公里。當前23頁，總共24頁。激光技術的應用涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科，主要分為以下幾類：激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG(釔鋁石榴石)激光器，CO2激