激光光譜學(2009)

1、普通光源普通光源-自發(fā)輻射自發(fā)輻射激光光源激光光源-受激輻射受激輻射激光又名鐳射激光又名鐳射 ，它的全名是，它的全名是 “輻射的受輻射的受激發(fā)射光放大激發(fā)射光放大”。一、激光一、激光一、激光1. 特點：特點：時間相干性好（時間相干性好（10 8埃），埃），相干長度可達幾十公里。相干長度可達幾十公里。相干性極好相干性極好方向性極好方向性極好（發(fā)散角（發(fā)散角10 4弧度）弧度）脈沖瞬時功率大脈沖瞬時功率大（可達（可達10 14瓦）瓦）亮度極高亮度極高 空間相干性好，有的激光波面上各個點空間相干性好，有的激光波面上各個點都是相干光源。都是相干光源。1. . 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉粒子數(shù)正常分布和

2、粒子數(shù)反轉通常處于低能級的電子數(shù)較處于高能級的通常處于低能級的電子數(shù)較處于高能級的電子數(shù)要多，粒子數(shù)正常分布。電子數(shù)要多，粒子數(shù)正常分布。玻耳茲曼統(tǒng)計分布：玻耳茲曼統(tǒng)計分布：三、激光原理三、激光原理三、激光原理若若E2 E1，則兩能級則兩能級上的原子數(shù)目之比上的原子數(shù)目之比11212kTEEeNN9.9. 激光激光 / / 三、激光原理三、激光原理數(shù)量級估計：數(shù)量級估計：T103 K ；kT1. 381020 J 0. 086 eV ; ;E2E11eV ; ;kTEEeNN121211212kTEEeNN但要產(chǎn)生激光必須使原但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā)子激發(fā); ; 且且N2 N1, , 稱稱粒

3、子數(shù)反轉。粒子數(shù)反轉。1086015.10e2E1E2N1N9.9. 激光激光 / / 三、激光原理三、激光原理2E1E2N1N原子處在激發(fā)態(tài)時間原子處在激發(fā)態(tài)時間很短很短108s，但還有一但還有一些亞穩(wěn)態(tài)，可以停留些亞穩(wěn)態(tài)，可以停留103s, ,激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)在亞穩(wěn)態(tài)上粒子數(shù)不在亞穩(wěn)態(tài)上粒子數(shù)不斷積累，斷積累，實現(xiàn)粒子數(shù)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，達到光放大的反轉，達到光放大的目的。目的。9.9. 激光激光 / / 三、激光原理三、激光原理按工作方式分按工作方式分連續(xù)式（功率可達連續(xù)式（功率可達104W ）脈沖式（瞬時功率可達脈沖式（瞬時功率可達1014 W ）3 . . 波長：波長：極紫外可見光亞毫

4、米極紫外可見光亞毫米(100 nm )(1. 222 m m )2 . 種類：種類：固體（如紅寶石固體（如紅寶石A l2O3）液體（如某些染料）液體（如某些染料）氣體（如氣體（如H e-N e，C O2）半導體（如砷化鎵半導體（如砷化鎵 G aA s）按工作物質分按工作物質分4原子激發(fā)的幾種基本方式：原子激發(fā)的幾種基本方式：氣體放電激發(fā)；氣體放電激發(fā)；原子間碰撞激發(fā)；原子間碰撞激發(fā)；光激發(fā)光激發(fā)(光泵光泵)。E2E1h二、自發(fā)輻射 受激輻射和吸收二、自發(fā)輻射二、自發(fā)輻射 受激輻射和吸收受激輻射和吸收1. . 自發(fā)輻射自發(fā)輻射1 1. . . . 自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射原子在沒有外界干

5、預的情況下，電子原子在沒有外界干預的情況下，電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級會由處于激發(fā)態(tài)的高能級E2自動躍遷至低自動躍遷至低能級能級E1，這種躍遷稱為自發(fā)躍遷。這種躍遷稱為自發(fā)躍遷。hEE12自發(fā)輻射光子頻率自發(fā)輻射光子頻率9.9. 激光激光 / / 二、自發(fā)輻射二、自發(fā)輻射. . 受激輻射和吸收受激輻射和吸收白熾燈、日光燈等普通光源，它們的發(fā)光白熾燈、日光燈等普通光源，它們的發(fā)光過程就是上述的自發(fā)輻射，頻率、振動方過程就是上述的自發(fā)輻射，頻率、振動方向、相位都不國定相同，不是相干光。向、相位都不國定相同，不是相干光。2. . 光吸收光吸收2 2. . . . 光吸收光吸收光吸收光吸收當原子中的電

6、子處于低能級時，吸收當原子中的電子處于低能級時，吸收光子的能量后從低能級躍遷到高能級光子的能量后從低能級躍遷到高能級-光吸收。光吸收。低能級低能級E1高能級高能級E2光子光子9.9. 激光激光 / / 二、自發(fā)輻射二、自發(fā)輻射. . 受激輻射和吸收受激輻射和吸收3. . 受激輻射受激輻射3 3. . . . 受激輻射受激輻射受激輻射受激輻射當原子中的電子處當原子中的電子處于高能級時，若外來于高能級時，若外來光子的頻率恰好滿足光子的頻率恰好滿足hEE12時，電子會在外來光子的誘發(fā)下向低能時，電子會在外來光子的誘發(fā)下向低能級躍，并發(fā)出與外來光子一樣特征的光級躍，并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子子-受

7、激輻射。受激輻射。E2E1全同光子全同光子h9.9. 激光激光 / / 二、自發(fā)輻射二、自發(fā)輻射. . 受激輻射和吸收受激輻射和吸收實驗表明，受激輻射產(chǎn)生的光子與外來實驗表明，受激輻射產(chǎn)生的光子與外來光子具有相同的頻率、相位和偏振方向。光子具有相同的頻率、相位和偏振方向。在受激輻射中通過一個光的作用，得在受激輻射中通過一個光的作用，得到兩個特征完全相同的光子，如果這兩個到兩個特征完全相同的光子，如果這兩個光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻射，就能光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻射，就能得到更多的特征完全相同的光子得到更多的特征完全相同的光子-光放光放大，大，激光。激光。4. . 光放大光放大4 4. .

8、 . . 光放大光放大光放大光放大9.9. 激光激光 / / 二、自發(fā)輻射二、自發(fā)輻射. . 受激輻射和吸收受激輻射和吸收2光學諧振腔光學諧振腔例例. . H e-N e 氣體激光器的粒子數(shù)反轉氣體激光器的粒子數(shù)反轉H e -N e 激光器中激光器中H e是輔助物質，是輔助物質，N e是是激活物質激活物質，H e與與 N e之比為之比為51 101。9.9. 激光激光 / / 三、激光原理三、激光原理全反射鏡部分透反射鏡激光束l3. . 激光的形成激光的形成光學諧振腔光學諧振腔其作用是產(chǎn)生和維持光振蕩，光在粒其作用是產(chǎn)生和維持光振蕩，光在粒子數(shù)反轉的工作物質中傳播時，得到光放子數(shù)反轉的工作物質

9、中傳播時，得到光放大，當光到達反射鏡時，又反射回來穿過大，當光到達反射鏡時，又反射回來穿過工作物質，進一步得到光放大，這樣不工作物質，進一步得到光放大，這樣不斷地反射現(xiàn)象為光振蕩。從部分透射光反斷地反射現(xiàn)象為光振蕩。從部分透射光反射鏡透射出的光很強，這就是輸出的激光。射鏡透射出的光很強，這就是輸出的激光。9.9. 激光激光 / / 三、激光原理三、激光原理全反射鏡部分透反射鏡激光束l激光的方向性、激光的方向性、單色性很好單色性很好光在諧振腔傳播時形成駐波，由駐波條件光在諧振腔傳播時形成駐波，由駐波條件2kl不滿足此條件的光很快減弱而被淘汰，諧不滿足此條件的光很快減弱而被淘汰，諧振腔又起選頻的作用振腔又起選頻的作用-單色性好。單色性好。9.9. 激光激光 / / 三、激光原理三、激光原理Fig. 1 激光誘導熒光(LIF)光譜測量裝置示意圖Fig. 2 OH-PLIF(平面激光誘導熒光)系統(tǒng)示意圖1234567 光源系統(tǒng)：YAG DYE 光路和片光系統(tǒng)：透鏡、反射鏡組 熒光信號采集和處理系統(tǒng)。ICCD 、濾光片、DG535和計算機、圖像處理軟件3.3 自點火流場PLIF測量 Fig. 3 PLIF同步控制系統(tǒng)示意圖 OH-PLIF同步控制 Fig.