大學(xué)物理教學(xué)課件：激光（出版）

1、1,第二章 激 光,2,普通光源-自發(fā)輻射,激光光源-受激輻射,前言,激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是 “輻射的受激發(fā)射光放大,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,第二章 激 光,3,一. 特點(diǎn),方向性極好（發(fā)散角10 -4弧度,脈沖瞬時(shí)功率大（可達(dá)10 14瓦,空間相干性好，有的激光波面上 各個(gè)點(diǎn)都是相干光源,時(shí)間相干性好（10 - 8埃）， 相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里,相干性極好,亮度極高,4,按工作方式分,連續(xù)式（功率可達(dá)104 W） 脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014 W,三 . 波長(zhǎng)：極紫外可見(jiàn)光亞毫米,100

2、 n m ） （1.222 m m,二 . 種類(lèi),固體（如紅寶石Al2O3） 液體（如某些染料） 氣體（如He-Ne，CO2） 半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAs）,按工作物質(zhì)分,5,1 粒子數(shù)按能級(jí)的統(tǒng)計(jì)分布 原子的激發(fā),由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的 平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布,6,若 E2 E 1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比,數(shù)量級(jí)估計(jì),T 103 K,kT1.3810-20 J 0.086 eV,E 2-E 11eV,7,但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā);且 N2 N1, 稱(chēng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion,原子激發(fā)的幾種基本方式,1氣體放電激發(fā),2原

3、子間碰撞激發(fā),3光激發(fā)(光泵,演示,演示,8,2 自發(fā)輻射 受激輻射和吸收,一. 自發(fā)輻射(spontaneous radiation,設(shè) N1 、N2 單位體積中處于E1 、E2 能級(jí)的原子數(shù),單位體積中單位時(shí)間內(nèi)， 從E2 E1自發(fā)輻射 的原子數(shù),h,9,寫(xiě)成等式,21 自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位 時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過(guò)程的概率,各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、 無(wú)關(guān)的 非相干光,10,二受激輻射 (stimulated radiation,全同光子,設(shè) （、）溫度為時(shí), 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的 外來(lái)光的能量密度,11,單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E E 受激輻

4、射的原子數(shù),寫(xiě)成等式,B21受激輻射系數(shù),12,W21 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 受激輻射過(guò)程的概率,則,受激輻射光與外來(lái)光的頻率、偏振方向、 相位及傳播方向均相同 -有光的放大作用,令 W21 = B21 （、T,13,三 . 吸收(absorption,h,上述外耒光也有可能被吸收，使原子 從E1E2,單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來(lái)光而從 E1E2 的原子數(shù),14,寫(xiě)成等式,B12 吸收系數(shù),令 W12=12 ( 、T,W12 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 吸收過(guò)程的概率,15,A21 、B21 、B12 稱(chēng)為愛(ài)因斯坦系數(shù),愛(ài)因斯坦在 1年從理論上得出,愛(ài)因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上

5、 獲得激光奠定了理論基礎(chǔ),沒(méi)有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向,沒(méi)有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決,B21 = B12,16,3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),一. 為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (population inversion,17,必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),因 B21=B12,W21=W12,產(chǎn)生激光必須,18,He -Ne 激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是 激活物質(zhì)，He與 Ne之比為51 101,19,電子碰撞,碰撞轉(zhuǎn)移,20,He-Ne激光管的工作原理,由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級(jí)) 的概率比 Ne 原子被激發(fā)的概率大,在He 的23S，21S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)， 很難回到基態(tài),在He的

6、這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上 集聚了較多的原子,由于Ne的 5S 和 4S與 He的 21S和 23S的 能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常 容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移,21,要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外， 還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù),正好Ne的5S，4S是亞穩(wěn)態(tài)，下能級(jí) 4P， 3P 的壽命比上能級(jí)5S，4S要短得多， 這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn),在碰撞中 He 把能量傳遞給 Ne而回到基態(tài)， 而 Ne則被激發(fā)到 5S 或 4S,22,放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子 與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 S態(tài) 的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生 “無(wú)輻射躍遷”而回到基態(tài),以及時(shí)減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)

7、， 有利于激光下能級(jí)4P與3P態(tài)的抽空,23,Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線, 圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條,06328 115 m 339,它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、 非基態(tài) 之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),24,4 增益系數(shù),激光器內(nèi)受激輻射光 來(lái)回傳播時(shí)，并存著,增益光的放大,損耗光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射鏡處必要 的激光輸出）等,激光形成階段：增益損耗,激光穩(wěn)定階段：增益損耗,增益,損耗,25,一激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)的凈增益,設(shè)0處，光強(qiáng)為I0,I,dx I + d I,有 d I Idx,寫(xiě)成等式 d I = G I dx,定義：增益系數(shù) G (gain coef

8、ficient,26,即單位長(zhǎng)度上光強(qiáng)增加的比例,一般G不是常數(shù)。 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，先近似地認(rèn)為G是常數(shù),27,二 . 考慮激光在兩端反射鏡處的損耗,I0 激光從左反射鏡出發(fā)時(shí)的光強(qiáng),I1 經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)后，被右反射鏡反射 出發(fā)時(shí)的光強(qiáng),I0,全反射鏡,部分反射鏡,I1,I2 再經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射 出發(fā)時(shí)的光強(qiáng),I2,R1、R2 左、右兩端反射鏡的反射率,28,顯然有I 1 = R 2 I 0 eGL,I 2 = R 1 I 1 eGL,R 1 R 2 I 0 e2GL,在激光形成階段,即 R1 R2 e2GL 1,或,須 I2 / I0 1,29,式中Gm稱(chēng)為閾值增益， 即產(chǎn)生激光的最

9、小增益,在激光穩(wěn)定階段,即,光強(qiáng)增大到一定程度后,須 I2 / I0 = 1,30,在激光的形成階段G Gm , 光放大， 怎麼光強(qiáng)不會(huì)無(wú)限放大下去,在激光的穩(wěn)定階段 怎么又會(huì)G = Gm ,原因是實(shí)際的增益系數(shù)G 不是常量,當(dāng) I時(shí)，會(huì) G,這是由于光強(qiáng)增大伴隨著 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度的減弱。 （負(fù)反饋,不會(huì),31,當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度，G下降到m時(shí)， 增益=損耗，激光就達(dá)到穩(wěn)定了,通常稱(chēng),為閾值條件,threshold condition,32,5光學(xué)諧振腔 縱膜與橫模,optical harmonic oscillator,longitudinal mode and transverse mo

10、de,激光器有兩個(gè)反射鏡， 它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔,33,光學(xué)諧振腔的作用,1.使激光具有極好的方向性（沿軸線,2.增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì),3.使激光具有極好的單色性（選頻,閾值條件為,對(duì)于可能有多種躍遷的情況， 可以利用閾值條件來(lái)選出一種躍遷,選頻之一,34,我們可以控制1、2的大小,對(duì) 0.6328 m 1、R2大 Gm 小(易滿足閾值條件，使形成激光),對(duì) 1.15 m 、3.39 m 1、2小 Gm大（不滿足閾值條件，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 受激輻射 光中, 只讓波長(zhǎng)0.6328 m的光輸出,35,設(shè)氦氖激光器

11、Ne原子的 06328 m受激輻射光 的譜線寬度為, 如圖所示,1.3109 Hz,對(duì)于單一的躍遷，還可以利用 選擇縱模間隔的方法，進(jìn)一步 在譜線寬度內(nèi)再選頻,選頻之二,36,由于,為什么激光的譜線寬度會(huì) 小到 10-8,取絕對(duì)值,37,由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié),所以有光程,k=1、2、3,k真空中的波長(zhǎng),n 諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率,38,可以存在的縱模頻率為,相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為,數(shù)量級(jí)估計(jì),1； n1.0； c108 ms,39,而氦氖激光器 0.6328 m 譜線的寬度為,=13109 HZ,因此，在 區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為,40,利用加大縱模頻率間隔k的方法,可以使

12、區(qū)間中只存在一個(gè)縱模頻率,比如縮短管長(zhǎng)到 10 c,即 L/10,41,于是就獲得了譜線寬度非常窄的激光輸出， 極大地提高了0.6328 m 譜線的單色性,激光除了有縱向駐波模式外， 還有橫向駐波模式,42,小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件,激勵(lì)能源（使原子激發(fā),粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性,基橫模在激光光束的橫截面上各點(diǎn)的 位相相同，空間相干性最好,43,6 激光的特性及其應(yīng)用,方向性極好的強(qiáng)光束 -準(zhǔn)直、測(cè)距、切削、武器等,相干性極好的光束 -精密測(cè)厚、測(cè)角，全息攝影等,44,例激光光纖通訊,由于光波的頻率 比電波的頻率高 好幾個(gè)數(shù)量級(jí),一根極細(xì)的光纖 能承載

13、的信息量， 相當(dāng)于圖片中這 麼粗的電纜所能 承載的信息量,45,例2 . 激光手術(shù)刀,不需開(kāi)胸，不住院,照明束 照亮視場(chǎng),纖維鏡激光光纖 成象,有源纖維強(qiáng)激光 使堵塞物熔化,附屬通道 （可注入氣或液） 排除殘物以明視線,套環(huán) （可充、放氣） 阻止血流或使血流流通,46,例3激光 原子力顯微鏡(AFM,用一根鎢探針或硅 探針在距試樣表面 幾毫微米的高度上 反復(fù)移動(dòng),來(lái)探測(cè)固 體表面的情況,試樣通常是 微電子器件,47,探針尖端在工作時(shí)處于受迫振動(dòng)狀態(tài)， 其頻率接近于探針的共振頻率,探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯 吸引力的作用時(shí)，其共振頻率發(fā)生變化， 因而振幅也隨之改變,為了跟蹤尖端的振動(dòng)情況，將一束激光分成 兩束，其中一束通過(guò)棱鏡反射，另一束則 穿過(guò)