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1、第二章激 光,1,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,前言,激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),第二章 激 光,2,一.特点：,方向性极好（发散角10-4弧度）,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）,空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。,时间相干性好（10-8埃），相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,3,按工作方式分,连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达1014 W）,三.波长：极紫外可见光亚毫米,(100 n
2、m）（1.222 m m）,二.种类：,固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓 GaAs）,按工作物质分,4,1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发,由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：,5,若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比,数量级估计：,T 103 K；,kT1.3810-20 J 0.086 eV;,E 2-E 11eV;,6,但要产生激光必须使原子激发;且 N2 N1,称粒子数反转(population inversion)。,原子激发的几种基本方式：,1气体放电激发,2原子
3、间碰撞激发,3光激发(光泵),演示,演示,7,2 自发辐射 受激辐射和吸收,一.自发辐射(spontaneous radiation),设 N1、N2 单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。,单位体积中单位时间内，从E2 E1自发辐射 的原子数：,h,8,写成等式,21 自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。,各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光。,9,二受激辐射(stimulated radiation),全同光子,设（、）温度为时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。,10,单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：,写
4、成等式,B21受激辐射系数,11,W21 单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。,则,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同-有光的放大作用。,令 W21=B21（、T）,12,三.吸收(absorption),h,上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从E1E2。,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数：,13,写成等式,B12 吸收系数,令 W12=12(、T),W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。,14,A21、B21、B12 称为爱因斯坦系数。,爱因斯坦在 1年从理论上得出,爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论
5、基础。,没有实验家,理论家就会迷失方向。,没有理论家,实验家就会迟疑不决。,B21=B12,15,3 粒子数反转,一.为何要粒子数反转(population inversion),16,必须 N2 N1（粒子数反转）。,因 B21=B12,W21=W12,产生激光必须,17,He-Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与 Ne之比为51 101。,18,电子碰撞,碰撞转移,19,He-Ne激光管的工作原理：,由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比 Ne 原子被激发的概率大；,在He 的23S，21S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；,在He的这两个激发态上 集
6、聚了较多的原子。,由于Ne的 5S 和 4S与 He的 21S和 23S的 能量几乎相等，当两种原子相碰时非常 容易产生能量的“共振转移”；,20,（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）,正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级 4P，3P 的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。,在碰撞中 He 把能量传递给 Ne而回到基态，而 Ne则被激发到 5S 或 4S；,21,放电管做得比较细（毛细管），可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 S态 的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态，,以及时减少3S态的Ne原子数，有利于激光
7、下能级4P与3P态的抽空。,22,Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:,06328 115 m 339,它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。,23,4 增益系数,激光器内受激辐射光来回传播时，并存着,增益光的放大；,损耗光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。,激光形成阶段：增益损耗,激光稳定阶段：增益损耗,增益,损耗,24,一激光在工作物质内传播时的净增益,设0处，光强为I0,I,+dx I+d I,有 d I Idx,写成等式 d I=G I dx,定义：增益系数 G(gain coefficient),25
8、,即单位长度上光强增加的比例。,一般G不是常数。为简单起见，先近似地认为G是常数。,26,二.考虑激光在两端反射镜处的损耗,I0 激光从左反射镜出发时的光强。,I1 经过工作物质后，被右反射镜反射 出发时的光强。,I0,全反射镜,部分反射镜,I1,I2 再经过工作物质，并被左反射镜反射 出发时的光强。,I2,R1、R2 左、右两端反射镜的反射率.,27,显然有I 1=R 2 I 0 eGL,I 2=R 1 I 1 eGL,=R 1 R 2 I 0 e2GL,在激光形成阶段,即 R1 R2 e2GL 1,或,须 I2/I0 1,28,式中Gm称为阈值增益，即产生激光的最小增益。,在激光稳定阶段,
9、即,光强增大到一定程度后,须 I2/I0=1,29,在激光的形成阶段G Gm,光放大，怎麽光强不会无限放大下去？,在激光的稳定阶段怎么又会G=Gm?,原因是实际的增益系数G不是常量,当 I时，会 G。,这是由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱。（负反馈）,不会。,30,当光强增大到一定程度，G下降到m时，增益=损耗，激光就达到稳定了。,通常称,-为阈值条件。,(threshold condition),31,5光学谐振腔 纵膜与横模,(optical harmonic oscillator),(longitudinal mode and transverse mode),激光器有两个反射镜，
10、它们构成一个光学谐振腔。,32,光学谐振腔的作用：,1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；,2.增强光放大作用（延长了工作物质）；,3.使激光具有极好的单色性（选频）。,阈值条件为,对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。,选频之一：,33,我们可以控制1、2的大小：,对 0.6328 m 1、R2大 Gm 小(易满足阈值条件，使形成激光)；,对 1.15 m、3.39 m 1、2小 Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。,例如，若氦氖激光器Ne原子的 0.6328 m,1.15 m,3.39 m 受激辐射 光中,只让波长0.6328 m的光输出，,34,设氦氖激光器Ne原子
11、的06328 m受激辐射光的谱线宽度为,如图所示。,1.3109 Hz,对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频。,选频之二：,35,由于,为什么激光的谱线宽度会小到 10-8？,取绝对值,36,由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，,所以有光程,(k=1、2、3、),k真空中的波长,n 谐振腔内媒质的折射率,37,可以存在的纵模频率为,相邻两个纵模频率的间隔为,数量级估计：,1；n1.0；c108 ms,38,而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为,=13109 HZ,因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为,39,利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使区间中只
12、存在一个纵模频率。,比如缩短管长到 10 c，,即 L/10,40,于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极大地提高了0.6328 m 谱线的单色性。,激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。,41,小结：产生激光的必要条件,.激励能源（使原子激发）,.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）,.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。,42,6 激光的特性及其应用,方向性极好的强光束-准直、测距、切削、武器等。,相干性极好的光束-精密测厚、测角，全息摄影等。,43,例激光光纤通讯,由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，,一根极细的光纤
13、能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。,44,例2.激光手术刀,（不需开胸，不住院）,照明束照亮视场,纤维镜激光光纤成象,有源纤维强激光使堵塞物熔化,附属通道（可注入气或液）排除残物以明视线,套环（可充、放气）阻止血流或使血流流通,45,例3激光 原子力显微镜(AFM),用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。,试样通常是微电子器件。,46,探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。,探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。,为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。,47,可检测出尺度小至 5毫微米的表面起伏变化。,用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。,这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。,据此可探知试样表面的原子起伏情况。,48,第二章结束,例5激光半导体二极管(在固体部分学),例4激光单原子探测（略）,随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。,49,
