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)
16-11 激 光
2
激光现今已得到极为广泛的应用,从光缆的信息传输到光盘的读写,从视网膜的修复到大地的测量,
从工件的焊接到热核反应的引发等等都利用了激光,
早在 1916年爱因斯坦就提出了“受激辐射”的理论,
1960年,第一台红宝石激光器由美国物理学家梅曼首先制成,
1951年,美国物理学家汤斯制造出受激辐射的微波放大装置,(1964年获诺贝尔物理学奖 )
3
§ 1 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：
2Ndt
dN
自发
21
E2
E1
N2
N1
h?
4
写成等式
221
21 NA
dt
dN?
自发
Ａ 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 。
5
二．受激辐射 (stimulated radiation)
E2
E1
N2
N1 全同光子
h?
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产生受激辐射条件：处于高能级 E2时的原子受到能量为 h?=E2-E1的外来光子的作用跃迁到低能级，辐射一同频率的光子。
6
单位体积中单位时间内，从 E２?E１
受激辐射的原子数：
2N)T(dt
dN,
受激
21
写成等式
21
2 1 2
dN
B k I N
dt
受 激
B21? 受激辐射系数
7
W21? 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
2
21 NW
dt
dN
21
受激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）
8
三,吸收 (absorption)
E2
E1
N2
N1
h?
上述外耒光也有可能被吸收，使原子从 E1?E2。
单位体积中单位时间内因吸收外来光而从
E1?E2 的原子数：
12
1 1 2
dN k N I B
dt
吸 收
9
A21,B21,B12 称为爱因斯坦系数。
爱因斯坦在 1９１７年从理论上得出
123
3
21
8 B
C
hA
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基础。
B21 = B12
10
§ 2 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：
激光原理
11
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
1
12
1
2
kT
EE
e
N
N
数量级估计：
T ～ 103 K；
kT～ 1.38× 10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～ 1eV;
10860
1
1
2
5
10
12
.kT
EE
ee
N
N
12
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．原子间碰撞激发
3．光激发 (光泵 )
13
粒子数反转一,为何要粒子数反转
(population inversion)
从 E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
必须 N2 > N1（ 粒子数反转）。
粒子数反转是实现光放大的基本条件！
14
二,粒子数反转的实现通常的物质中，粒子数反转是难以实现的，这是由于这些物质的原子激发态的平均寿命都极其短暂,当原子被激发到高能态后，会立即自发跃迁返回基态，而不可能在高能态等待并积攒足够多的原子从而出现粒子数反转。
有些物质的原子能级中存在一种平均寿命比较长的高能态能级，这种能级称为亚稳能级。 -光增益介质。
增益系数 G：
()
Gz
zoI I e?
15
亚稳能级的存在使粒子数反转的实现成为可能。
E2
E1
E0
E3
h
EE 03
30
右图四能级中 E2是亚稳能级
16
h
EE 12
21
产生频率为 的受激辐射在产生 E2能级对 E1能级的粒子数反转的过程中，外界要向工作物质提供能量。 -抽运过程。
30?
用 的光照射工作物质的方式实现抽运过程，称为光激励还可用放电过程引起电子碰撞，以传递能量，称为电激励总之，要形成粒子数反转，必须建立适当的能量输入系统 ----激励能源
17
三．粒子数反转举例例,He一 Ne 气体激光器的粒子数反转
He -Ne 激光器中 He是辅助物质,Ne是激活物质,He与 Ne之比为 5∶ 1? 10∶1 。
18
亚稳态电子碰撞碰撞转移亚稳态
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,
632.8nｍ 氖 (Ne)子由 5s能级跃迁到 3p能级的结果
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。
23
§ 3 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，
它们构成一个光学谐振腔。
激励能源
全反射镜 部分反射镜
激光有了增益介质，激活能源，使粒子数反转，产生光放大，但得到的激光寿命短，强度弱。必须 有谐振腔。
24
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）。
25
由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，
所以有 光程
2
kknL
( k=1,2,3,…,)
k— 真空中的波长
L
k=1
k=2
k=3
n — 谐振腔内媒质的折射率谐振条件
26
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。
基模 高阶横模轴对称分布旋转对称分布
27
小结：产生激光的必要条件
ｌ,激励能源（使原子激发）
２,粒子数反转（有合适的亚稳态能级）
３,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。
28
§ 4 激光的特性及其应用
★ 高定向性
--------准直、测距、导航、定位等。
★ 相干性极好的光束
--------精密测厚、测角，全息摄影等。
用激光测地月间距，精度可达 （ 10-15 cm）
全息摄影 -将物体各点反射光的振幅和相位两方面的信息均记录下来。
29
★ 高强度，高亮度（产生几万度的高温）
--------打孔、切割、焊接；医学上可制成激光手术刀，军事上可制成激光武器。
★ 光纤通信 -利用激光传递信息，信息量大，
传送路数多。
★ 高单色性。
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)
16-11 激 光
2
激光现今已得到极为广泛的应用,从光缆的信息传输到光盘的读写,从视网膜的修复到大地的测量,
从工件的焊接到热核反应的引发等等都利用了激光,
早在 1916年爱因斯坦就提出了“受激辐射”的理论,
1960年,第一台红宝石激光器由美国物理学家梅曼首先制成,
1951年,美国物理学家汤斯制造出受激辐射的微波放大装置,(1964年获诺贝尔物理学奖 )
3
§ 1 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：
2Ndt
dN
自发
21
E2
E1
N2
N1
h?
4
写成等式
221
21 NA
dt
dN?
自发
Ａ 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 。
5
二．受激辐射 (stimulated radiation)
E2
E1
N2
N1 全同光子
h?
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产生受激辐射条件：处于高能级 E2时的原子受到能量为 h?=E2-E1的外来光子的作用跃迁到低能级，辐射一同频率的光子。
6
单位体积中单位时间内，从 E２?E１
受激辐射的原子数：
2N)T(dt
dN,
受激
21
写成等式
21
2 1 2
dN
B k I N
dt
受 激
B21? 受激辐射系数
7
W21? 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
2
21 NW
dt
dN
21
受激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）
8
三,吸收 (absorption)
E2
E1
N2
N1
h?
上述外耒光也有可能被吸收，使原子从 E1?E2。
单位体积中单位时间内因吸收外来光而从
E1?E2 的原子数：
12
1 1 2
dN k N I B
dt
吸 收
9
A21,B21,B12 称为爱因斯坦系数。
爱因斯坦在 1９１７年从理论上得出
123
3
21
8 B
C
hA
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基础。
B21 = B12
10
§ 2 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：
激光原理
11
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
1
12
1
2
kT
EE
e
N
N
数量级估计：
T ～ 103 K；
kT～ 1.38× 10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～ 1eV;
10860
1
1
2
5
10
12
.kT
EE
ee
N
N
12
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．原子间碰撞激发
3．光激发 (光泵 )
13
粒子数反转一,为何要粒子数反转
(population inversion)
从 E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
必须 N2 > N1（ 粒子数反转）。
粒子数反转是实现光放大的基本条件！
14
二,粒子数反转的实现通常的物质中，粒子数反转是难以实现的，这是由于这些物质的原子激发态的平均寿命都极其短暂,当原子被激发到高能态后，会立即自发跃迁返回基态，而不可能在高能态等待并积攒足够多的原子从而出现粒子数反转。
有些物质的原子能级中存在一种平均寿命比较长的高能态能级，这种能级称为亚稳能级。 -光增益介质。
增益系数 G：
()
Gz
zoI I e?
15
亚稳能级的存在使粒子数反转的实现成为可能。
E2
E1
E0
E3
h
EE 03
30
右图四能级中 E2是亚稳能级
16
h
EE 12
21
产生频率为 的受激辐射在产生 E2能级对 E1能级的粒子数反转的过程中，外界要向工作物质提供能量。 -抽运过程。
30?
用 的光照射工作物质的方式实现抽运过程，称为光激励还可用放电过程引起电子碰撞，以传递能量，称为电激励总之，要形成粒子数反转，必须建立适当的能量输入系统 ----激励能源
17
三．粒子数反转举例例,He一 Ne 气体激光器的粒子数反转
He -Ne 激光器中 He是辅助物质,Ne是激活物质,He与 Ne之比为 5∶ 1? 10∶1 。
18
亚稳态电子碰撞碰撞转移亚稳态
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,
632.8nｍ 氖 (Ne)子由 5s能级跃迁到 3p能级的结果
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。
23
§ 3 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，
它们构成一个光学谐振腔。
激励能源
全反射镜 部分反射镜
激光有了增益介质，激活能源，使粒子数反转，产生光放大，但得到的激光寿命短，强度弱。必须 有谐振腔。
24
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）。
25
由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，
所以有 光程
2
kknL
( k=1,2,3,…,)
k— 真空中的波长
L
k=1
k=2
k=3
n — 谐振腔内媒质的折射率谐振条件
26
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。
基模 高阶横模轴对称分布旋转对称分布
27
小结：产生激光的必要条件
ｌ,激励能源（使原子激发）
２,粒子数反转（有合适的亚稳态能级）
３,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。
28
§ 4 激光的特性及其应用
★ 高定向性
--------准直、测距、导航、定位等。
★ 相干性极好的光束
--------精密测厚、测角，全息摄影等。
用激光测地月间距，精度可达 （ 10-15 cm）
全息摄影 -将物体各点反射光的振幅和相位两方面的信息均记录下来。
29
★ 高强度，高亮度（产生几万度的高温）
--------打孔、切割、焊接；医学上可制成激光手术刀，军事上可制成激光武器。
★ 光纤通信 -利用激光传递信息，信息量大，
传送路数多。
★ 高单色性。
