大學(xué)物理：第十九章激光固體物理

1、第十九章 激光 固體物理119.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介19.2 固體能帶基礎(chǔ)固體能帶基礎(chǔ)第十九章第十九章 激光激光 固體物理固體物理第十九章 激光 固體物理219.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介激光激光 (Laser)， 它的全名是它的全名是:（Light amplification by stimulated emission of radiation） “輻射的受激發(fā)射光放大輻射的受激發(fā)射光放大”。 世界上第一臺(tái)激光器世界上第一臺(tái)激光器 (Maser) 誕生于誕生于1954年。年。 激光的理論基礎(chǔ)是激光的理論基礎(chǔ)是1916年愛因斯坦提出的受激年愛因斯坦提出的受激輻射理論。輻射理論。 1960年制成了可

2、見光激光器年制成了可見光激光器Laser第十九章 激光 固體物理319.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov1964年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第十九章 激光 固體物理419.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介 激光種類：激光種類： 按工作物質(zhì)：按工作物質(zhì)：固體（紅寶石、固體（紅寶石、Al2O3）液體（染料）液體（染料）氣體（氣體（HeNe、CO2）半導(dǎo)體（砷化鎵）半導(dǎo)體（砷化鎵） 按工作方式：按工作方式：連續(xù)式（功率達(dá)連續(xù)式（功率達(dá)104W）脈沖式（瞬時(shí)功率達(dá)脈沖式（瞬時(shí)功率達(dá)1014W） 激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：極紫外極紫外 可見光可見光 亞毫米亞毫

3、米（100nm）（1.222mm）第十九章 激光 固體物理519.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介 高定向性高定向性 高單色性高單色性 氦氖激光器的單色性為氦氖激光器的單色性為 N1第十九章 激光 固體物理719.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大 12NN 21211EEkTNeN21NN 0 I 0 I 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài) ： 正常熱平衡狀態(tài)在室溫時(shí)，粒子數(shù)按能級(jí)的分布規(guī)律遵正常熱平衡狀態(tài)在室溫時(shí)，粒子數(shù)按能級(jí)的分布規(guī)律遵從玻爾茲曼分布律從玻爾茲曼分布律 選擇特殊的介質(zhì)，在外界能源的激勵(lì)下，破壞熱平衡，選擇特殊的介質(zhì)，在外界能源的激勵(lì)下，破壞熱平衡，以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

4、分布。以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如何實(shí)現(xiàn)？如何實(shí)現(xiàn)？激活介質(zhì)激活介質(zhì)第十九章 激光 固體物理819.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介例例 He-Ne激光器中激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn) 高壓高壓直流電源直流電源Ne：產(chǎn)生受激輻射，發(fā)出激光：產(chǎn)生受激輻射，發(fā)出激光He：起到傳遞能量的作用：起到傳遞能量的作用第十九章 激光 固體物理911221219.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介電子電子碰撞碰撞碰撞碰撞亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)1212第十九章 激光 固體物理1019.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介在實(shí)際問題中，影響激光譜線寬度的因素很多，主要有：在實(shí)際問題中，影響激光譜線寬度的因素很多，主要有：（1）自然寬度）自然寬度

5、 受激輻射時(shí)，自發(fā)輻射同時(shí)發(fā)生，自發(fā)輻射引起譜線加寬。受激輻射時(shí)，自發(fā)輻射同時(shí)發(fā)生，自發(fā)輻射引起譜線加寬。 由于能級(jí)壽命不同引起的譜線寬度稱為自然寬度。由于能級(jí)壽命不同引起的譜線寬度稱為自然寬度。（2）碰撞寬度）碰撞寬度 原子間的碰撞，相當(dāng)于加速了原子從激發(fā)態(tài)向低能級(jí)的躍原子間的碰撞，相當(dāng)于加速了原子從激發(fā)態(tài)向低能級(jí)的躍遷。遷。（3）多普勒展寬）多普勒展寬 多普勒效應(yīng)引起的展寬。多普勒效應(yīng)引起的展寬。第十九章 激光 固體物理1119.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介三、激光器的基本構(gòu)成三、激光器的基本構(gòu)成激勵(lì)能源激勵(lì)能源增益介質(zhì)增益介質(zhì)諧振腔諧振腔全反全反射鏡射鏡部分反射鏡部分反射鏡(99)諧振腔，增益介

6、質(zhì)，諧振腔，增益介質(zhì)，激勵(lì)能源。激勵(lì)能源。1. 基本構(gòu)成部分基本構(gòu)成部分2. 激光的形成激光的形成光束在諧振腔內(nèi)光束在諧振腔內(nèi)來回振蕩，在增來回振蕩，在增益介質(zhì)中的傳播益介質(zhì)中的傳播使光得以放大，使光得以放大，并輸出激光。并輸出激光。第十九章 激光 固體物理1219.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介3. 諧振腔的作用諧振腔的作用增益介質(zhì)增益介質(zhì) 限定光的方向限定光的方向沿軸線的光在增益介質(zhì)內(nèi)來沿軸線的光在增益介質(zhì)內(nèi)來回反射，連鎖放大，輸出形回反射，連鎖放大，輸出形成激光。其它方向的光很快逸出諧振腔。成激光。其它方向的光很快逸出諧振腔。 選擇光振蕩的頻率選擇光振蕩的頻率 （駐波條件）（駐波條件） , 3 ,

7、 2 , 1 2kkLk 選擇光振蕩的頻率選擇光振蕩的頻率 （干涉加強(qiáng)條件）（干涉加強(qiáng)條件）2 2kknd 4kdn（增反膜厚度）（增反膜厚度）第十九章 激光 固體物理1319.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介 激光的應(yīng)用：激光的應(yīng)用： 利用激光高強(qiáng)度利用激光高強(qiáng)度 良好的聚焦性（平行性）良好的聚焦性（平行性） 切割切割焊接焊接鉆孔鉆孔 加工：加工： 激光的應(yīng)用已遍及科技、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、生活等激光的應(yīng)用已遍及科技、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、生活等各個(gè)領(lǐng)域，下面列舉幾個(gè)方面：各個(gè)領(lǐng)域，下面列舉幾個(gè)方面： 測(cè)量：測(cè)量： 準(zhǔn)直、測(cè)距等準(zhǔn)直、測(cè)距等 醫(yī)療：醫(yī)療： 激光手術(shù)刀激光手術(shù)刀血管內(nèi)窺鏡血管內(nèi)窺鏡治癌等治癌

8、等 軍事：軍事： 激光制導(dǎo)激光制導(dǎo)激光武器激光武器 核技術(shù)：核技術(shù)： 激光分離同位素激光分離同位素（還利用了頻率準(zhǔn)確的特點(diǎn)）（還利用了頻率準(zhǔn)確的特點(diǎn)）第十九章 激光 固體物理1419.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介 利用激光極好的相干性：利用激光極好的相干性： 測(cè)量：測(cè)量： 精密測(cè)長(zhǎng)、精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)角、測(cè)角、 測(cè)流速測(cè)流速 全息技術(shù)：全息技術(shù)： 全息存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)全息測(cè)量全息測(cè)量全息電影全息電影抗干擾性強(qiáng)抗干擾性強(qiáng) 探測(cè)：探測(cè)： 微電子器件表面探測(cè)微電子器件表面探測(cè)單原子探測(cè)單原子探測(cè) 激光光纖通訊：激光光纖通訊：信息容量大信息容量大清晰清晰功耗小功耗小第十九章 激光 固體物理1519.1 激光簡(jiǎn)介激光簡(jiǎn)介激激光光焊焊接接高能激光（能產(chǎn)生約高能激光（能產(chǎn)生約5500 oC的高溫）把大塊的高溫）把大塊硬質(zhì)材料焊接在一起硬質(zhì)材料焊接在一起