1、第二章 激光的产生与特性粒子的能级与能级跃迁 激光产生的条件 激光器 激光器的增益和损耗 激光的特性,第一节 粒子的能级与能级跃迁,一、原子能级 原子中所有电子的动能与势能之和就是原子的能量.原子的能量也是量子化的。将原子可能具有的不连续能量值按大小顺序排列，称为原子的能级。,基态,激发态,原子从一个能级跳到另一个能级的过程称为原子的跃迁。,二、光辐射及其三种基本形式1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。原子中任何一个电子能量变化，原子就由一个能级跳变到另一个能级，称为能级跃迁。,自发辐射处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完全自发地向低能级跃迁同时释放光
2、子的过程叫做自发辐射。特点：这类光源中各原子的跃迁是彼此独立地、互不相干地进行的。,自发辐射发出的光子的频率为：,式中h为普朗克常数6.62410-Js。,各个原子自发辐射的光是非相干光,设 N1 、N2 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数,单位体积中dt时间内，从E2 E1自发辐射的原子数：,21 自发辐射系数,自发辐射,21 的物理含义：,单位时间内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级E2的原子数密度中所占的比例,或每一个处于E2能级的原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。,原子被外界激发后，自发辐射发出的光称为荧光,为荧光寿命或能级寿命,与跃迁概率成反比,实验表明：外界激发停止荧
3、光强度按指数规律衰减,自发辐射,受激吸收 原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃迁的过程称为受激吸收。特点：不是自发产生的，必须有外来光子的“激励”才会发生，并且外来光子的能量应等于原子跃迁前后两个能级间的能量差（ ），才会发生受激吸收。,外来光可以激发原子，也有可能被原子吸收，使原子从E1E2,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数密度：,写成等式：,B12 受激吸收系数,受激吸收,令 W12=12 ( ，T) 则：,W12 单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率,或：在能量密度为（，T）的光照射下，单位时间内产生受激吸收的原子数密度在E1能级的总原子数密度中所占的比例。
4、,其意义：,A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。,爱因斯坦在 1年从理论上得出：,B21 = B12,受激吸收,受激辐射 处于高能级的原子在自发辐射之前，受到一个能量为的光子的“诱发”后，可释放出一个与诱发光子特征完全相同的光子而跃迁到低能级，这个过程称为受激辐射。持续的受激辐射形成的光束就叫做激光。,外来光子能量：,设 （，）表示温度为时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔内外来光的能量密度，则：,受激辐射,写成等式：,B21受激辐射系数,令 W21 = B21 （，T）则,21 与W21不同：,某能级系统21为常数,W21与（、T）有关,不为常数,受激辐射
5、,一、产生激光的基本条件,在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多，光通过物质时，受激吸收占优势。,激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。,在通常状态下，三种跃迁同时存在，哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。,第二节 激光的产生,粒子数反转,粒子数正常分布和粒子数布居反转分布,则 ，表明处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 。 叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转。,已知,为何要粒子数反转？,产生激光必须：,因 B21=B12, W21=W12, 必须 N2 N1 （ 粒子数反转）,产生激光的基本条件,实
6、现粒子数反转的必要条件,粒子数反转,通过给物质提供 能量，可以使较多的 原子跃迁到高能级， 如果物质具有亚稳态能级，就能实现粒子数反转。,产生激光的基本条件,二、激光器的组成和常见激光器,激光器结构示意图,按输出方式分：,脉冲输出,连续输出,半导体激光器,按工作物质分 ：,气体激光器,固体激光器,液体激光器,自由电子激光器,激光器的分类,2、激光器的分类（按工作物质分类）,3、医用激光系统的主要特征,注：Nd: YAG 掺钕钇铝石榴石 Nd: YLF 掺钕氟锂钇,1、工作物质 把激光器中能产生激光的物质称为工作物质。常用固体激光工作物质有掺铬的红宝石，掺钕或掺钬、掺铒的石榴石。掺铬的红宝石晶体
7、是比较典型的三能级系统，其工作物质的主要成分是氧化铝（Al2O3），铬离子具有E0、E1和E2三个能级。,氦氖激光器（四能级系统）,气体的工作物质有CO2、N2、He-Ne等分子、原子、或离子气体，及ArF、XeCl、KrF等准分子气体。有单种气体的激光器，也有些激光器为了加强能量转换，掺入一些辅助气体。 液体的工作物质有无机染料液体和有机染料液体，常用的有机燃料物质有若丹明、荧光素、香豆素、吖啶橙等，将这种染料溶于适当的液体中，产生激光作用的是有机染料分子。,美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红宝石固体激光器.,从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级上的原子激发到高能级上去, 这
8、个过程叫做激励 （也叫泵浦）。,2、激励系统,原子激发的几种基本(激励)方式：,1电子和原子间碰撞而交换能量,放电激励（气体激光器）,光激励（固、液体激光器）,还有化学、 热、核激励等,放电管内有大量电子、离子和原子,有两个基本过程：,2原子与原子间碰撞而交换能量,混合气体的原子必须具有互相靠近的能级,又称为共振转移、碰撞转移,电子动能转化为原子内能,一旦“粒子数反转”,但实际上“一次”很微弱（原因？）,如He-Ne,1m长,仅增10-2量级,怎么办？,选频、选方向！（抑制其它频率、方向的光）,由激活介质（激励能源）和反射镜构成,3、光学谐振腔,在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反
9、 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。,要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。,光学谐振腔,谐振腔对光束方向的选择性,谐振腔可以将其它方向和频率的光子抑制住，而使某一方向和频率的光子享有最优越的条件进行放大。最常用的是平行平面腔。,偏离轴线方向的光子逸出腔外,沿轴线方向的光子，在腔内来回反射，产生连锁式放大,在一定条件下，从部分反射镜射出很强的光束-激光,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）。,使光仅沿轴线方向振荡！,放大作用,只有与反射镜轴向平
10、行的一定波长（频率）的光能在激活介质内来回反射（持续振荡），雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。,光学谐振腔对光的方向选择性,关于如何“选频”,（1）谱线宽度,实际上，不止一种频率！,谱线有一定宽度。,设氦氖激光器Ne原子的0.6328 m受激辐射光的频率范围, 1.3109 Hz,小，,单色性好！,引起谱线加宽的原因：,自然加宽、压力加宽、多普勒加宽,原子无规热运动，同时发光,对于He-Ne激光器：,632.8nm,室温时频率间隔：,但实际激光的谱线宽度为什么会小到 10-8？,选择纵模间隔，进一步在谱线宽度内选频,由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节,
11、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,（2）谐振频率,选频之一,只有处于荧光谱线内的那些频率才有可能真正起振，形成振荡。如何选频？,可以存在的纵模频率为:,腔内允许的相邻两个纵模频率间隔为：,数量级估计：,0.27；n1.0；c108 ms,若1,如：氦氖激光器 0.6328 m 谱线的频率范围为,D =1.5109 HZ,因此，在激光振荡的频率范围 区间中，可以存在的纵模个数为:,D,或者：,利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使区间中只存在一个纵模频率。,比如缩短管长到 10 c，,即 L/10,于是就可获得谱线宽度非常窄的激光输出，能极大地提高（0.
12、6328 m ）谱线的单色性。,小结：产生激光的必要条件,. 受激辐射,3. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级）,4. 光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,还有吸收、散射、衍射、透射等损耗,因此，光放大的作用要高于某一最低限（大于损耗）,2. 激励能源（使原子激发）,5. 相长的振荡,4、阈值条件,在谐振腔内，除了有光的增益，还存在 工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸 收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐 振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才 能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值 条件。,在设计谐振腔时，可以有选择地使对特 定波长的光满足阈值条件，使该波长的光 形成激光输出。,激光器
13、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,关于增益系数,（1）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,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。,(2) 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。,I2 再经过工作物质，
14、并被左反射镜反射出发时的光强。,R1、R2 左、右两端反射镜的反射率。,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,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,即,光强增大到一定程度后,须 I2 / I0 = 1,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）,
15、不会。,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。,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,选频之二,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。,阈值条件为：,光波是矢量 E 和 B 在空间的传播。,实验证明光波中参与与物质相互作用（感光作用、生理作用等）
16、的是E 矢量，称它为光矢量。,E 矢量的振动称为光振动。,第三节 激光的特性,1、光矢量,一、光的电磁波理论,3-1 光的基本性质,2、电磁波谱,4000 紫,7600 红,可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。,二、光源的发光特性,原子中一次量子跃迁的持续发光时间的数量级为10-8 s 。,原子每一次发光的光波是一段有限长的波列，波列长度为0.033m。其频率一定、振动方向一定。,原子在激发态上存在的时间的数量级为10-1110-8s ，它很快就回到较低的能态，并发射光波。,光源的最基本发光单元是分子、原子。,能级跃迁辐射,普通光源：自发辐射,独立（同一原子不同时刻发的光）,独立 （不同原子
17、同一时刻发的光）,激光光源：受激辐射,完全一样(频率、位相、振动方向,传播方向),复色光：不同频率单色光的混合光称为复色光。,单色光：具有单一频率的光波称为单色光。,单色光,谱线宽度,光谱曲线,自然宽度,多普勒加宽,复色光,激光束的发散角很小，一般为10-510-8弧度,激光定位、导向、 测距等就利用了方向 性好的特点。,3-2 激光束的特性,一、方向性好,二、单色性好,单色性好，指激光所包含的波长范围非常窄，即光谱线宽度窄，从而颜色非常单纯。利用激光单色性好的特性，可为计量工作提供标准光源。还可进行激光通讯，等离子体测试等。,光缆,由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信
18、中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。,激光通讯,激光通信是以光波作为载波，将信息调制到光波上加以传输。 无线电载波的频率在1061010赫，而光波频率在10111015赫，因而光波比电波能容纳更多的信息量。,激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。,激光加工、激光手术、激光武器等就利用 了高功率/强度密度的特点。,激光打孔,激光切割,低能激光武器,高能激光武器,四、相干性好,激光具有很好的相干性。在商业上用于广告、条形码、激光防伪等。,全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。Van Ugten，他于1966年在世界上首次摄得眼全息图。,全息照相术全息照片
19、不用一般的照相机，而要用一台激光器。激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。物光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程。用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹。可是若用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物。更奇妙的是，从不同的角度去观察，就可以看到原来物体的不同侧面。,全息照相,复 习,1、原子能级跃迁有哪几种形式？它们各自有何特征？ 2、什么是全同光子，它是如何获得的？ 3、为什么要粒子数反转，粒子数反转的必要条件是什么？ 4、什么叫亚稳态能级？简述三能级和四能级系统不同点。 5、激光有什么特点？这些特点的形成机理是什么？ 6、激光产生的必要条件是什么？光学谐振腔有何作用？ 7、什么叫纵模？光学谐振腔是如何实现纵模频率的选择的？ 8、激光器由哪几部分组成? 9、激光按工作物质和工作方式区分各由几种?,
