第四次课： 2学时 1 题目： §12－7 激光 §12－8 固体的能带 2 目的： 1．了解激光原理及特点。 2．了解固体的能带理论。 一、引入课题： 二、讲授新课： §12－7 激光 一、激光简介： 激光：(Laser)受激辐射发射的光(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation)。 普通光源发光是自发辐射，激光光源发光是受激辐射。 激光的特点： 单色性极好(((～10 - 8埃) 方向性极好(发散角～10 -4弧度) 强度极高(脉冲功率～10 14瓦) 激光的波长：极紫外─可见光─亚毫米 (100 n m) (1.222 m m ) 激光器的种类:按工作物质分 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) 　 按工作方式分 连续式(功率可达104 W) 脉冲式(瞬时功率可达1014 W ) 激光器的组成 激励能源 含有亚稳态能级的工作物质 光学谐振腔 二、辐射跃迁 辐射跃迁有三种：自发辐射、 受激辐射、吸收。 1 粒子数按能级的统计分布 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： 两能级上的原子数目之比 若E2 > E 1，则有 数量级估计： 若 T～103 K；则 kT～1.38×10-20 J ～0.086 eV，而E 2- E 1～1eV 故 但要产生激光必须N2 > N1，称为粒子数反转分布。 2 自发辐射(spontaneous radiation) 设原子的两个能级为E1和E2，并且E2＞E1， 如果有能量为 hν＝E2－E1 的光子照射时，原子就有可能吸收光子的能量， 从低能级跃迁到高能级的状态，原子吸收光子从 低能级跃迁到高能级的过程称为自发辐射。 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光 。 3 能级寿命与亚稳态能级 1)能级寿命 E2上 的原子有的停留时间长，有的短，在E2上原子寿命范围：从0 ( (，可以证明：原子能级的平均寿命和自发辐射系数成反比，即能级的自发辐射的概率越大则寿命越短。 2)亚稳态能级 亚稳态：自发辐射几率很小、寿命很长的能级。 一般，原子的能级寿命约为 10-8 ( 10-9 S 如H原子 2p态 ( ( 0.16(10-8 S 3p态 ( ( 0.54(10-8S 亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV) ( ( 10-4 S (19.77eV) ( ( 10-6 S 4 受激辐射(stimulated radiation) 处在高能级的原子在发生自发辐射之前， 受能量为 hν＝E2－E1 的光子的激发，有可能 从高能级的状态向低能级的状态跃迁，并向外 辐射出一个同频率的光子，这种过程称为受激 辐射。 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相及传播方向均相同—具有光的放大 作用。 5 吸收(absorption) 上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从 低能级的E1跃迁到高能级的E2。 三、激光原理 1 粒子数反转(population inversion) 对激光器，必须使受激辐射占优势。但在外来光照射下可发生受激辐射和吸收两个过程。欲使受激辐射时大于吸收，必须有N2 > N1，称这种状态为粒子数反转。 在外界激励能源的作用下，使粒子数的正常分布(N1>N2)转为反转分布(N2>N1)，相当于把能量储存在原子体系中。 粒子数反转是产生激光的必要条件。 2 光放大作用 激光器内受激辐射光来回传播时，同时存在着光放大与光吸收、散射、衍射、透射等两种因素。将光的放大称为增益，光吸收等称为损耗。在激光形成阶段：增益大于损耗，在激光稳定阶段：增益等于损耗。 3 光学谐振腔的作用(optical harmonic oscillator) 激光器中两个反射镜之间的范围称作光学谐振腔。 光学谐振腔的作用： 1）控制光束传播方向，使激光具有极好的方向性(沿轴线)。 2）延长光在工作物质中的时间(增强光放大作用)。 3）选频作用(使激光具有极好的单色性)。 如：利用驻波频率间隔选频法 由于原子本身的性质以及原子运动的多普勒 效应和原子间的碰撞，使得原子发出的谱线都不 是单色的，而是有一定的(甚至相当的)频率宽度， 称作谱线宽度。 例如：对Ne原子的 (=6000 ?的谱线在T=300K时，由多普勒效应造成的频率宽度即达 ((D=1370 MHz。 利用驻波的概念，可在此谱线宽度内选出某些(某一)个所需要的频率。由于光来回反射，在谐振腔内形成驻波，两反射镜处必是波节， 光程  (k——真空中的波长 可以存在的稳定驻波的频率 (k = c/(k = k(c/2nL) 相邻两驻波频率的间隔为 数量级估计： Ｌ～1m；n～1.0； c～3×108 m(s ((k = c / 2nL = 3(108 / 2(1(1 = 1.5(108 Hz 而氦氖激光器0.6328(m谱线的宽度为 ((D=1.3×109 Hz =1300 MHz 因此，在((D区间中，可以存在的驻波频率个数为 N=((D/((k = 1.3(109/1.5(108 ( 8 由上式，若减小L ，可增大 ((k，就可以使((D范围内驻波频率个数减少， 例如，若使管长Ｌ缩短到 10 cm，即 Ｌ(L/10 则((k(10 ((k，在((D区间中，可能存在的驻波频率个数为N ( 1 ，于是就能获得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。 小结：产生激光的必要条件 (1)粒子数反转(有合适的亚稳态能级)； (2)激励能源(使原子激发)； (3)光学谐振腔(方向性，光放大，单色性)。 四、激光的特性和应用