激光上課講義

1、第十四章第十四章 激光和固體的量子理論激光和固體的量子理論 14.1 激光激光 (Laser) 受激輻射光放大受激輻射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)世界上第一臺激光器世界上第一臺激光器紅寶石激光器紅寶石激光器(T.H.Maiman，1960)1.激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生受激輻射受激輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射(spontaneous radiation)：h 處于高能態(tài)處于高能態(tài)(Eh) 的原子，在沒有的原子，在沒有外界作用下，自發(fā)躍遷到低能態(tài)外界作用下，自發(fā)躍遷到低能態(tài)(El)，并發(fā)出一個(gè)光子并發(fā)出一個(gè)光子(h =

2、Eh-El) . EhEl光的吸收：光的吸收：h 原子吸收入射光子原子吸收入射光子(h =Eh-El)，從，從低能態(tài)低能態(tài)(El)躍遷到高能態(tài)躍遷到高能態(tài)(Eh).EhElh h h 受激輻射受激輻射(stimulated radiation)：處于高能態(tài)處于高能態(tài)(Eh)的原子，受入射的原子，受入射光子光子(h =Eh-El)的誘導(dǎo)作用，躍遷到低的誘導(dǎo)作用，躍遷到低能態(tài)能態(tài)(El)， 并發(fā)出一個(gè)與入射光子的并發(fā)出一個(gè)與入射光子的頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向都頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向都完全相同的光子完全相同的光子.EhEl光放大光放大(light amplification)：若有一批

3、原子處于高能態(tài)若有一批原子處于高能態(tài)(Eh)，則則 在一個(gè)入射光子在一個(gè)入射光子(h =Eh-El)的作用的作用下，會通過一系列受激輻射產(chǎn)生不斷下，會通過一系列受激輻射產(chǎn)生不斷倍增的完全相同的光子倍增的完全相同的光子.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在平衡態(tài)下，處于不同能態(tài)的原子數(shù)在平衡態(tài)下，處于不同能態(tài)的原子數(shù)由由Boltzmann分布律確定：分布律確定：kTEeEN/)(kTEElhlheENEN/ )()()(e.g.He-Ne激光器：激光器： =632.8nm33/10)()(kThclheENEN平衡態(tài)下：平衡態(tài)下： 在入射光子在入射光子(h =Eh-El)作用下，原子產(chǎn)作用下，原子產(chǎn)生吸收生

4、吸收(El Eh)的概率和產(chǎn)生受激輻射的概率和產(chǎn)生受激輻射(Eh El)的概率相同，因此的概率相同，因此在正常情況在正常情況下，吸收占優(yōu)下，吸收占優(yōu). 設(shè)法使設(shè)法使 N(Eh)N(El)，這種反常狀態(tài)稱，這種反常狀態(tài)稱為為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion). 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為激活激活介質(zhì)介質(zhì)(active medium)或或工作物質(zhì)工作物質(zhì). 激活介質(zhì)的特點(diǎn)激活介質(zhì)的特點(diǎn): 存在壽命較長存在壽命較長(10-31s)的激發(fā)態(tài)的激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) (metastable state).He-Ne激光器：激光器：碰撞碰撞632.8

5、nmNote:這里這里“三能級三能級”和和“四能級四能級”指激光指激光運(yùn)轉(zhuǎn)中涉及到的能級個(gè)數(shù)，并非指激運(yùn)轉(zhuǎn)中涉及到的能級個(gè)數(shù)，并非指激活介質(zhì)的所有能級數(shù)?；罱橘|(zhì)的所有能級數(shù)。HeNeE3 E1E2E4E2 E3E4 電激發(fā)電激發(fā)2.激光的特性激光的特性方向性好方向性好發(fā)散角發(fā)散角 ：10-310-6 rad強(qiáng)度高強(qiáng)度高強(qiáng)度可達(dá)強(qiáng)度可達(dá)1017 W/cm2 (氧炔焰氧炔焰103 W/cm2)激光器輸出功率：連續(xù)可達(dá)激光器輸出功率：連續(xù)可達(dá)105W脈沖可達(dá)脈沖可達(dá)1014W(世界電站總功率世界電站總功率1012 W)單色性好單色性好：10-610-9 nm相干性好相干性好是相干光是相干光 3.激光

6、的應(yīng)用激光的應(yīng)用激光測距：激光測距：月地距離誤差幾月地距離誤差幾cm激光加工：激光加工：打孔、切割、焊接、表面處理打孔、切割、焊接、表面處理激光醫(yī)療：激光醫(yī)療：激光手術(shù)刀，視網(wǎng)膜焊接，角激光手術(shù)刀，視網(wǎng)膜焊接，角膜切割，腫瘤診斷膜切割，腫瘤診斷(光動(dòng)力學(xué)方法光動(dòng)力學(xué)方法)，創(chuàng)傷，創(chuàng)傷愈合，針灸、美容等愈合，針灸、美容等軍事：軍事：激光制導(dǎo)激光制導(dǎo), 束能武器束能武器, 激光致盲激光致盲核技術(shù)：核技術(shù)：分離同位素分離同位素, 引發(fā)核聚變引發(fā)核聚變信息技術(shù)：信息技術(shù)：光通信，信息存儲，全息照相光通信，信息存儲，全息照相光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔(optical cavity)一對平行的反射鏡，鏡面與激活

7、介質(zhì)一對平行的反射鏡，鏡面與激活介質(zhì)的軸線垂直的軸線垂直.激活介質(zhì)激活介質(zhì)全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激勵(lì)能源激勵(lì)能源激光輸出激光輸出提高激光的方向性提高激光的方向性 沿軸向傳播的光，可在腔內(nèi)來回反沿軸向傳播的光，可在腔內(nèi)來回反射，不斷通過受激輻射得到放大，而射，不斷通過受激輻射得到放大，而沿其它方向傳播的光很快從側(cè)面逸出，沿其它方向傳播的光很快從側(cè)面逸出，不能繼續(xù)引起受激輻射。不能繼續(xù)引起受激輻射。提高激光的單色性提高激光的單色性 光在腔內(nèi)來回反射光在腔內(nèi)來回反射, 產(chǎn)生多光束干產(chǎn)生多光束干涉涉, 結(jié)果結(jié)果, 只有其半波長的整數(shù)倍等于只有其半波長的整數(shù)倍等于腔長的光才會在腔內(nèi)存在。腔

8、長的光才會在腔內(nèi)存在。作用：作用：Notes:諧振腔的閾值條件諧振腔的閾值條件(threshold condition) 增益大于損耗增益大于損耗 當(dāng)光在腔內(nèi)來回一次所得到的放當(dāng)光在腔內(nèi)來回一次所得到的放大大(稱為稱為增益增益)，超過同一過程中光，超過同一過程中光的的損耗損耗(介質(zhì)和反射鏡對光的吸收、介質(zhì)和反射鏡對光的吸收、散射等散射等)時(shí)，才能真正實(shí)現(xiàn)光放大。時(shí)，才能真正實(shí)現(xiàn)光放大。若在諧振腔的兩反射鏡之間加上一若在諧振腔的兩反射鏡之間加上一對布儒斯特窗，還可得到偏振性極好對布儒斯特窗，還可得到偏振性極好的線偏振光。的線偏振光。e.g.外腔式外腔式He-Ne激光器激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔 激光激光電電 源源He, Ne布儒斯特窗布儒斯特窗100%反射反射99%反射反射1%透射透射激勵(lì)能源激活介質(zhì)激勵(lì)能源激活介質(zhì) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)綜上：綜上：激光器類型：激光器類型：氣體激光器氣體激光器(He-Ne, Ar+, CO2, 準(zhǔn)分子等準(zhǔn)分子等)液體激光器液體激光器(染料染料)固體激光器固體激光器(紅寶石，釔鋁石榴石紅寶石，釔鋁石榴石(YAG)等等)半導(dǎo)體激光