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本章共 3讲
第五篇 量子现象和量子规律
第 16章 场的量子性
§ 16.4 激 光
激光又名镭射 (Laser),全名是, 辐射的受激发射光放大, 。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
要点,
1,什么是受激吸收、自发辐射、
受激辐射？
2,什么是粒子数反转？实现
粒子数反转的条件 （内因、
外因）是什么？
3,激光器的基本组成部分及各部分的作用（特别
是光学谐振腔作用）
4,激光的特点及应用
一、激光发展简史 （物理 — 技术 — 物理）
Towns建立第一台微波激射器（ maser)
1900 Planck提出能量子假说
1905
1917 Einstein提出受激辐射理论
1953
1958 Towns,Shawlow开始研制激光器
1960 Maiman制成第一台红宝石激光器
1961-65
激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器,
用于激光通讯； 激光器，用于激光熔炼,2CO
激光切割、激光钻孔,.,
1968-69 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系
1982 激光全息术
80年代－ 激光外科手术，通讯、光盘、激光武器,.,
Einstein提出光量子理论
Maxwell 建立光的电磁理论 1860
肖洛
肖洛实验室
门前的广告
不可思议的
激光
请入内
参观令
人信服
的激光
汤斯和肖洛在一起，右
上角是最早的激光器
二,激光的基本原理 ——爱因斯坦辐射理论
自发辐射
受激辐射
受激吸收
受激吸收和自发辐射
受激辐射
频率
相位
偏振方向
传播方向
完全相同
三种过程同时存在。
普通光源 -----自发辐射占优势
激光光源 -----受激辐射占优势
发光机制
在受激辐射占优势时，可以实现光放大。
为什么称为,粒子数反转”？
怎样才能使受激辐射占优势？
即：实现 N2 > N1（ 粒子数反转）
必须
吸收
受激
辐射
受激
????????????? tNtN dddd 1221
2N? 1N?
Eh ???
N1
N2
Eh ???
N1
N2
三, 原子在能级上的分布
由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态下，
原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布,
kT
E
n
n
eN
?
?
k,玻耳兹曼常数
-123 KJ10381 ??? ?.k
若 E2 > E 1，则两能级上的
原子数目之比 112
1
2 ??
??
kT
EE
eNN
数量级估计,以氢原子为例，室温（ 300K）下
kT～ 4× 10-21 J ～ 0.025 eV; E 2-E 1～ 10eV;
1
1
2 ???? ?
??
400
12
eeNN kT
EE
粒子数反转分布,
高能级的原子数大于低能级的原子数。
粒子数反转分布
是产生激光的必
要条件
正常分布 反转分布
能实现粒子数反转分布的介质 ——激活介质
如何实现粒子数反转分布？
四, 激光器的基本结构和工作原理
激励能源
工作物质
光学谐振腔
激光束
1,激励能源,
功能,向工作物质提供能量，将工作物质的原子、
分子从基态激发到高能态，实现粒子数反转分布
（外因）
原子激发的几种基本方式
气体放电激发
原子间碰撞激发
光激发 (光泵 )
2.工作物质（ 激活介质 ）
光学透明性良好
有亚稳态能级（内因）
例,三能级系统
红宝石激光器
（ c）
例,四能级系统－氦氖激光器
He：辅助物质,Ne：激活物质,
He与 Ne之比为 5∶ 1 ? 10∶ 1
He-Ne激光管
的工作原理,
亚稳态 亚稳态
电子碰撞
*电子碰撞,
由于 He被激发 (到 23S和 21S能级 )的概率比 Ne 原子被
激发的概率大；且该两个能级都是亚稳态，所以 在
He的这两个激发态上集聚了较多的原子。
亚稳态 亚稳态
?“共振转移”,
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转移。
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；
*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。
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，有利于激光下能级 4P
与 3P态的抽空。
*要实现 粒子数反转分布,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。
亚稳态 亚稳态 * Ne原子可以产生多条
激光谱线,
图中标明了最强的三条,
0,6328?ｍ
1,15 ?m
3,39 ?ｍ
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。
3,谐振腔
激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。
激励能源
?
全反射镜 部分反射镜
?
激光
光学谐振腔的作用,
1.对方向进行选择（ //轴线光放大）,
使激光具有极好的 方向性 ；
2.来回反射多次放大（延长了工作物质）,
增强光放大作用，形成 强光
3.在腔内形成驻波的光放大,
使激光具有极好的 单色性 （相干性）
.,, )3,2,1(2 ?? kknL ?
驻波条件,
L
k=1
k=2
k=3
可以存在的 纵模 频率为
nL
ckc
k
k 2?? ??
相邻两个纵模频率的间隔为
nL
c
k 2???
激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。
基模 高阶横模
轴
对
称
分
布
旋
转
对
称
分
布
基横模在激光光束的横截面上各点的相位相同，
空间相干性最好。
4,增益系数
增益 ——光的放大；
损耗 ——光的吸收、散射、衍射、透射等。
（包括一端的部分反射镜处必要的激光输出）
激光器内受激辐射光来回传播时，同时存在着
激光形成阶段：增益 ＞ 损耗
激光稳定阶段：增益 ＝ 损耗
阈值条件：增益 ~损耗，稳定输出
mGRRLG ??
21
1ln
2
1
镜面反射率 谐振腔长度
我们可以控制 Ｒ 1、Ｒ 2的大小,
对 0.6328 ?m ——Ｒ 1,R2大,
——Gm 小 (易满足阈值条件，形成激光 ) ；
对 1.15 ?m, 3.39 ?m ——Ｒ 1、Ｒ 2小
—— Gm大（不满足阈值条件，不能形成激光）。
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,
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。
五、激光器种类
在基质（玻璃、晶体）中掺稀土元素 固体激光器,
例,钕玻璃激光器 1060nm
钇铝石榴石激光器 （掺钕）
气体激光器,原子气体激光器 氦氖激光器
分子气体激光器 22 N,CO
离子气体激光器 氩离子
1.按工作物质分类
半导体激光器,体积小、寿命长（ 10万小时）
液体激光器,染料激光器
2.按工作方式分类
连续式（功率可达 104 W）
脉冲式（瞬时功率可达 1014 W ）
极紫外 ── 可见光 ── 亚毫米
(100 n m ） （ 1.222 m m ）
3.按波长分类
六、激光的特点及应用
1、特点
1）方向性好 )(sr10~ 6 球面度发散角 ?
2）单色性好 ——相干性好
时间相干性,相干长度～几十千米
空间相干性,波面上任意两点可作相干光源
3）亮度高,功率为普通光源的百万至几十亿倍
精密计量,测距、测速、准直、表面检测
信息处理,光盘、光通信、光计算机,
图象处理、显示
激光加工,分离同位素、核聚变（惯性约束）
激光医学,激光刀
激光生物应用, 育种
激光武器
…,.,
2、应用
激光：既是一门新兴学科，又是一项划时代的新技术
例 1.激光测月
一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中
粗电缆所能承载的信息量。
例 2,激光光纤通讯
例 3, 激光手术刀
臂动脉
主动脉
冠状动脉
内窥镜
附属通道 有源纤维 套环
纤维镜 照明束
?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
例 4,激光可控热核反应
激光瞬时从各个方向同时照射直径仅为几微米的
氘氚小靶球，实现能量在时间和空间的高度集中，
在靶中心点燃核聚变（惯性约束） 。
液氢?? 388 10a t m,10K,10 ??? PT
美国洛伦兹 —利佛莫尔实验室的 NOVA激光系统
功率,1014W，已经接近惯性约束的要求。
我国 863计划开始研究。
激光核聚变实验装置
大型激光科学工程, 神光二号,
（中科院上海光机所）
大功率激光加工机床 二氧化碳激光加工机
例 5, 激光加工、切割
X射线激光器 激光打孔
练习 1,
在激光器中利用光学谐振腔
（ 1）可以提高激光束的方向性，而不能提高其单色性。
（ 2）可以提高激光束的单色性，而不能提高其方向性。
（ 3）可以同时提高激光束的方向性和单色性。
（ 4）不能提高激光束的方向性，也不能提高其单色性。
答案,（ 3）
练习 2,
激光全息照相技术主要是利用激光的哪一种优良特性
（ 1）亮度高
（ 2）方向性好
（ 3）相干性好
（ 4）抗电磁干扰能力强 答案,（ 3）
原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所发出的
光的特点是
（ 1）前者是相干光，后者是非相干光。
（ 2）前者是非相干光，后者是相干光。
（ 3）都是相干光。
（ 4）都是非相干光。
练习 3,
答案,（ 2）
产生激光的必要条件是,
激光的三个主要特性是
,
练习 5,
练习 4,
激光器的基本结构包括三部分,
即,,和 。 工作物质 激励能源 光学谐振腔
粒子数反转分布
方向性好,单色性好（相干性好），光强大（亮度高）
练习 6,
受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性，这些特性
是指
。 相位，频率，偏振态，传播方向
本章共 3讲
第五篇 量子现象和量子规律
第 16章 场的量子性
§ 16.4 激 光
激光又名镭射 (Laser),全名是, 辐射的受激发射光放大, 。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
要点,
1,什么是受激吸收、自发辐射、
受激辐射？
2,什么是粒子数反转？实现
粒子数反转的条件 （内因、
外因）是什么？
3,激光器的基本组成部分及各部分的作用（特别
是光学谐振腔作用）
4,激光的特点及应用
一、激光发展简史 （物理 — 技术 — 物理）
Towns建立第一台微波激射器（ maser)
1900 Planck提出能量子假说
1905
1917 Einstein提出受激辐射理论
1953
1958 Towns,Shawlow开始研制激光器
1960 Maiman制成第一台红宝石激光器
1961-65
激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器,
用于激光通讯； 激光器，用于激光熔炼,2CO
激光切割、激光钻孔,.,
1968-69 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系
1982 激光全息术
80年代－ 激光外科手术，通讯、光盘、激光武器,.,
Einstein提出光量子理论
Maxwell 建立光的电磁理论 1860
肖洛
肖洛实验室
门前的广告
不可思议的
激光
请入内
参观令
人信服
的激光
汤斯和肖洛在一起，右
上角是最早的激光器
二,激光的基本原理 ——爱因斯坦辐射理论
自发辐射
受激辐射
受激吸收
受激吸收和自发辐射
受激辐射
频率
相位
偏振方向
传播方向
完全相同
三种过程同时存在。
普通光源 -----自发辐射占优势
激光光源 -----受激辐射占优势
发光机制
在受激辐射占优势时，可以实现光放大。
为什么称为,粒子数反转”？
怎样才能使受激辐射占优势？
即：实现 N2 > N1（ 粒子数反转）
必须
吸收
受激
辐射
受激
????????????? tNtN dddd 1221
2N? 1N?
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N1
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N1
N2
三, 原子在能级上的分布
由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态下，
原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布,
kT
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k,玻耳兹曼常数
-123 KJ10381 ??? ?.k
若 E2 > E 1，则两能级上的
原子数目之比 112
1
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数量级估计,以氢原子为例，室温（ 300K）下
kT～ 4× 10-21 J ～ 0.025 eV; E 2-E 1～ 10eV;
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粒子数反转分布,
高能级的原子数大于低能级的原子数。
粒子数反转分布
是产生激光的必
要条件
正常分布 反转分布
能实现粒子数反转分布的介质 ——激活介质
如何实现粒子数反转分布？
四, 激光器的基本结构和工作原理
激励能源
工作物质
光学谐振腔
激光束
1,激励能源,
功能,向工作物质提供能量，将工作物质的原子、
分子从基态激发到高能态，实现粒子数反转分布
（外因）
原子激发的几种基本方式
气体放电激发
原子间碰撞激发
光激发 (光泵 )
2.工作物质（ 激活介质 ）
光学透明性良好
有亚稳态能级（内因）
例,三能级系统
红宝石激光器
（ c）
例,四能级系统－氦氖激光器
He：辅助物质,Ne：激活物质,
He与 Ne之比为 5∶ 1 ? 10∶ 1
He-Ne激光管
的工作原理,
亚稳态 亚稳态
电子碰撞
*电子碰撞,
由于 He被激发 (到 23S和 21S能级 )的概率比 Ne 原子被
激发的概率大；且该两个能级都是亚稳态，所以 在
He的这两个激发态上集聚了较多的原子。
亚稳态 亚稳态
?“共振转移”,
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转移。
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；
*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。
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，有利于激光下能级 4P
与 3P态的抽空。
*要实现 粒子数反转分布,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。
亚稳态 亚稳态 * Ne原子可以产生多条
激光谱线,
图中标明了最强的三条,
0,6328?ｍ
1,15 ?m
3,39 ?ｍ
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。
3,谐振腔
激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。
激励能源
?
全反射镜 部分反射镜
?
激光
光学谐振腔的作用,
1.对方向进行选择（ //轴线光放大）,
使激光具有极好的 方向性 ；
2.来回反射多次放大（延长了工作物质）,
增强光放大作用，形成 强光
3.在腔内形成驻波的光放大,
使激光具有极好的 单色性 （相干性）
.,, )3,2,1(2 ?? kknL ?
驻波条件,
L
k=1
k=2
k=3
可以存在的 纵模 频率为
nL
ckc
k
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相邻两个纵模频率的间隔为
nL
c
k 2???
激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。
基模 高阶横模
轴
对
称
分
布
旋
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称
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基横模在激光光束的横截面上各点的相位相同，
空间相干性最好。
4,增益系数
增益 ——光的放大；
损耗 ——光的吸收、散射、衍射、透射等。
（包括一端的部分反射镜处必要的激光输出）
激光器内受激辐射光来回传播时，同时存在着
激光形成阶段：增益 ＞ 损耗
激光稳定阶段：增益 ＝ 损耗
阈值条件：增益 ~损耗，稳定输出
mGRRLG ??
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2
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镜面反射率 谐振腔长度
我们可以控制 Ｒ 1、Ｒ 2的大小,
对 0.6328 ?m ——Ｒ 1,R2大,
——Gm 小 (易满足阈值条件，形成激光 ) ；
对 1.15 ?m, 3.39 ?m ——Ｒ 1、Ｒ 2小
—— Gm大（不满足阈值条件，不能形成激光）。
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,
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。
五、激光器种类
在基质（玻璃、晶体）中掺稀土元素 固体激光器,
例,钕玻璃激光器 1060nm
钇铝石榴石激光器 （掺钕）
气体激光器,原子气体激光器 氦氖激光器
分子气体激光器 22 N,CO
离子气体激光器 氩离子
1.按工作物质分类
半导体激光器,体积小、寿命长（ 10万小时）
液体激光器,染料激光器
2.按工作方式分类
连续式（功率可达 104 W）
脉冲式（瞬时功率可达 1014 W ）
极紫外 ── 可见光 ── 亚毫米
(100 n m ） （ 1.222 m m ）
3.按波长分类
六、激光的特点及应用
1、特点
1）方向性好 )(sr10~ 6 球面度发散角 ?
2）单色性好 ——相干性好
时间相干性,相干长度～几十千米
空间相干性,波面上任意两点可作相干光源
3）亮度高,功率为普通光源的百万至几十亿倍
精密计量,测距、测速、准直、表面检测
信息处理,光盘、光通信、光计算机,
图象处理、显示
激光加工,分离同位素、核聚变（惯性约束）
激光医学,激光刀
激光生物应用, 育种
激光武器
…,.,
2、应用
激光：既是一门新兴学科，又是一项划时代的新技术
例 1.激光测月
一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中
粗电缆所能承载的信息量。
例 2,激光光纤通讯
例 3, 激光手术刀
臂动脉
主动脉
冠状动脉
内窥镜
附属通道 有源纤维 套环
纤维镜 照明束
?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
例 4,激光可控热核反应
激光瞬时从各个方向同时照射直径仅为几微米的
氘氚小靶球，实现能量在时间和空间的高度集中，
在靶中心点燃核聚变（惯性约束） 。
液氢?? 388 10a t m,10K,10 ??? PT
美国洛伦兹 —利佛莫尔实验室的 NOVA激光系统
功率,1014W，已经接近惯性约束的要求。
我国 863计划开始研究。
激光核聚变实验装置
大型激光科学工程, 神光二号,
（中科院上海光机所）
大功率激光加工机床 二氧化碳激光加工机
例 5, 激光加工、切割
X射线激光器 激光打孔
练习 1,
在激光器中利用光学谐振腔
（ 1）可以提高激光束的方向性，而不能提高其单色性。
（ 2）可以提高激光束的单色性，而不能提高其方向性。
（ 3）可以同时提高激光束的方向性和单色性。
（ 4）不能提高激光束的方向性，也不能提高其单色性。
答案,（ 3）
练习 2,
激光全息照相技术主要是利用激光的哪一种优良特性
（ 1）亮度高
（ 2）方向性好
（ 3）相干性好
（ 4）抗电磁干扰能力强 答案,（ 3）
原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所发出的
光的特点是
（ 1）前者是相干光，后者是非相干光。
（ 2）前者是非相干光，后者是相干光。
（ 3）都是相干光。
（ 4）都是非相干光。
练习 3,
答案,（ 2）
产生激光的必要条件是,
激光的三个主要特性是
,
练习 5,
练习 4,
激光器的基本结构包括三部分,
即,,和 。 工作物质 激励能源 光学谐振腔
粒子数反转分布
方向性好,单色性好（相干性好），光强大（亮度高）
练习 6,
受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性，这些特性
是指
。 相位，频率，偏振态，传播方向
