第十七章(2)激光

1、1第第17章（二）激光原理章（二）激光原理2原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、激光器原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、激光器 20世紀(jì)的世紀(jì)的“新四大發(fā)明新四大發(fā)明” 激光是激光是20世紀(jì)四大發(fā)明之一，世紀(jì)四大發(fā)明之一，被人們譽(yù)為被人們譽(yù)為20世紀(jì)的世紀(jì)的“世紀(jì)之光世紀(jì)之光”。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation一、一、 概念：概念： “輻射的受激發(fā)射光放大輻射的受激發(fā)射光放大”1964年錢學(xué)森建議改名為年錢學(xué)森建議改名為“激光激光”。1917年，愛因斯坦在他的輻射理論中預(yù)言有受激發(fā)射的存在。年，愛因斯坦在他的輻射理論中預(yù)言有受激發(fā)射的存

2、在。1960年，梅曼（年，梅曼（Maiman) 成功制成第一臺(tái)紅寶石激光器。同年，成功制成第一臺(tái)紅寶石激光器。同年， 雅文（雅文（Javan）又制成了氦氖激光器。）又制成了氦氖激光器。1961年年9月：月：長春光機(jī)所鄧錫銘和王之江制成了我國的第一臺(tái)紅長春光機(jī)所鄧錫銘和王之江制成了我國的第一臺(tái)紅寶石激光器。寶石激光器。3二、特點(diǎn)：二、特點(diǎn)：1、單色性極好（、單色性極好（ 210-9nm）2、方向性極好（發(fā)散角、方向性極好（發(fā)散角10-4弧度）弧度）3、亮度極高（脈沖功率、亮度極高（脈沖功率1014瓦，是太陽表面亮度的瓦，是太陽表面亮度的1010倍）倍）4、相干性極好（相干長度達(dá)、相干性極好（相干

3、長度達(dá)102km） 三、種類：三、種類： 四、波長：四、波長：按工作方式分：連續(xù)式（功率可達(dá)按工作方式分：連續(xù)式（功率可達(dá)104 W）、脈沖式（瞬時(shí)功）、脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)率可達(dá)1014 W ）按工作物質(zhì)分：按工作物質(zhì)分： 固體（紅寶石固體（紅寶石Al2O3）、液體（染料）、）、液體（染料）、 氣氣體（體（He-Ne，CO2）、半導(dǎo)體（砷化鎵）、半導(dǎo)體（砷化鎵GaAs）極紫外極紫外可見光可見光亞毫米亞毫米(100 nm) (1.222 mm)41、自發(fā)輻射與受激輻射、自發(fā)輻射與受激輻射光與原子體系相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在著吸收、自發(fā)輻射和光與原子體系相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在著吸收、自發(fā)輻射和

4、受激輻射三種過程。受激輻射三種過程。設(shè)原子中有高低能級設(shè)原子中有高低能級E1和和E2 (E2E1)，則在常溫下，物質(zhì)的絕，則在常溫下，物質(zhì)的絕大部分原子都處于低能級大部分原子都處于低能級E1(基態(tài)基態(tài))中。處于高能級中。處于高能級E2上的原子上的原子會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級E1，輻射出光子，輻射出光子h，這個(gè)過程叫，這個(gè)過程叫自發(fā)輻自發(fā)輻射射。22,EN11,E N發(fā)光前發(fā)光前h發(fā)光后發(fā)光后21hEE 5設(shè)發(fā)光物質(zhì)單位體積中處于能級設(shè)發(fā)光物質(zhì)單位體積中處于能級E1, E2的原子數(shù)分別為的原子數(shù)分別為N1 , N2，則單位時(shí)間內(nèi)從則單位時(shí)間內(nèi)從E2向向E1自發(fā)輻射的原子數(shù)自發(fā)輻射

5、的原子數(shù)比例系數(shù)比例系數(shù)A21稱為稱為自發(fā)輻射概率自發(fā)輻射概率，它與外來輻射能量密度無關(guān)。，它與外來輻射能量密度無關(guān)。21212()dNA Ndt自原子吸收輻射原子吸收輻射h從低能級從低能級E1躍遷到高能級躍遷到高能級E2，叫，叫受激吸收躍遷受激吸收躍遷。每秒吸收躍遷的原子總數(shù)與輻射場能量密度成正比并與處于低每秒吸收躍遷的原子總數(shù)與輻射場能量密度成正比并與處于低能級能級E1的原子數(shù)的原子數(shù)N1成正比成正比比例系數(shù)比例系數(shù)W12B12 (,T) 稱為稱為吸收概率吸收概率，其中，其中B12稱為稱為吸收系數(shù)吸收系數(shù)，(,T) 是輻射場能量密度。是輻射場能量密度。12121()dNW Ndt吸2E1E

6、吸收前吸收前h吸收后吸收后21EE 62E1E發(fā)光前發(fā)光前hh發(fā)光后發(fā)光后h處于高能級處于高能級E2的原子除了自發(fā)輻射外，還有一種輻射叫的原子除了自發(fā)輻射外，還有一種輻射叫受激輻受激輻射射。它是處于高能級。它是處于高能級E2的原子在外來輻射或某一原子的自發(fā)輻的原子在外來輻射或某一原子的自發(fā)輻射所放出的光子激發(fā)下，躍遷到低能級射所放出的光子激發(fā)下，躍遷到低能級E1而發(fā)出光子而發(fā)出光子h。受激。受激輻射每秒躍遷的原子數(shù)與高能級原子數(shù)輻射每秒躍遷的原子數(shù)與高能級原子數(shù)N2及輻射場能密度成正及輻射場能密度成正比比比例系數(shù)比例系數(shù)W21B21 (,T) 稱為稱為受激輻射概率受激輻射概率，其中，其中B21

7、稱為稱為受激受激輻射系數(shù)輻射系數(shù)，且，且B21B12；(,T) 是上述的輻射場能量密度。是上述的輻射場能量密度。21212()dNW Ndt受21EE (1)(1)只有外來光子的能量滿足只有外來光子的能量滿足 時(shí)才能引起受激輻射；時(shí)才能引起受激輻射；21hEE (2)(2)受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的特性完全相同，及頻率受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的特性完全相同，及頻率 相同、位相相同、偏振方向相同、傳播方向相同。相同、位相相同、偏振方向相同、傳播方向相同。7光子的狀態(tài)，即光子的頻率、位相、偏振方向和傳播方向通常光子的狀態(tài)，即光子的頻率、位相、偏振方向和傳播方向通常由量子數(shù)來描寫。這些量

8、子數(shù)的每一種組合方式?jīng)Q定了光子的由量子數(shù)來描寫。這些量子數(shù)的每一種組合方式?jīng)Q定了光子的一種狀態(tài)，叫光的量子態(tài)一種狀態(tài)，叫光的量子態(tài)(光子態(tài)光子態(tài))。對給定的光源，可能有的。對給定的光源，可能有的光子態(tài)的數(shù)目是很多的。光子可處于其中一態(tài)，也可多個(gè)光子光子態(tài)的數(shù)目是很多的。光子可處于其中一態(tài)，也可多個(gè)光子占據(jù)同一態(tài)占據(jù)同一態(tài)(這一點(diǎn)與電子不同，因?yàn)楣庾邮遣Ｉ佣娮邮琴M(fèi)這一點(diǎn)與電子不同，因?yàn)楣庾邮遣Ｉ佣娮邮琴M(fèi)米子米子)。光子簡并度決定相干光強(qiáng)，反映光源的單色亮度。光子簡并度決定相干光強(qiáng)，反映光源的單色亮度。光子簡并度光子簡并度相干光強(qiáng)是描述光的相干性的參量之一，相干光強(qiáng)決定于具有相干光強(qiáng)是描述

9、光的相干性的參量之一，相干光強(qiáng)決定于具有相干性光子的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目。相干性光子的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目。 處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子的簡并度，用處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子的簡并度，用 表示。表示。8自發(fā)輻射的光子簡并度很低，這樣的輻射光叫普通光，其單色自發(fā)輻射的光子簡并度很低，這樣的輻射光叫普通光，其單色性和相干性都很差。性和相干性都很差。按照輻射的量子理論，受激輻射產(chǎn)生出來的光子其量子態(tài)與原按照輻射的量子理論，受激輻射產(chǎn)生出來的光子其量子態(tài)與原光子完全相同。如果原子體系中有許多原子都處于某一相同的光子完全相同。如果原子體系中有許多原子都處于某一相同的激發(fā)態(tài)能級，則其中某一原子的自

10、發(fā)輻射產(chǎn)生的光子就可以促激發(fā)態(tài)能級，則其中某一原子的自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子就可以促使處于同一激發(fā)態(tài)的其他原子發(fā)生受激輻射而放出同樣的光子。使處于同一激發(fā)態(tài)的其他原子發(fā)生受激輻射而放出同樣的光子。 這一過程將以連鎖反應(yīng)的方式在很短時(shí)間內(nèi)完成，從而產(chǎn)生出這一過程將以連鎖反應(yīng)的方式在很短時(shí)間內(nèi)完成，從而產(chǎn)生出大量完全相同的光子，這一過程稱為大量完全相同的光子，這一過程稱為光放大光放大。如果我們提供了如果我們提供了合適條件，實(shí)現(xiàn)了這種光放大，就能得到大量高簡并度的光子，合適條件，實(shí)現(xiàn)了這種光放大，就能得到大量高簡并度的光子，產(chǎn)生出單色性和相干性都很好的光束，即獲得了產(chǎn)生出單色性和相干性都很好的光束，即獲得

11、了激光激光。921()/21EEkTNeN2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一般情況下，處于溫度為一般情況下，處于溫度為T的平衡態(tài)下的體系，在各能級上的的平衡態(tài)下的體系，在各能級上的原子數(shù)由玻耳茲曼分布確定，即有原子數(shù)由玻耳茲曼分布確定，即有這就是說，處于最低能級的原子最多，能級越高，處于該能級這就是說，處于最低能級的原子最多，能級越高，處于該能級的原子數(shù)就越少。的原子數(shù)就越少。實(shí)際上，激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差一般大約是實(shí)際上，激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差一般大約是 1 eV，因此，因此，常溫的常溫的(T300 K)平衡態(tài)下，平衡態(tài)下， ，即處于激發(fā)態(tài)的原，即處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)微乎其微。子數(shù)微乎其微。382

12、1/NNe受激吸收與受激吸收與E1的原子數(shù)的原子數(shù)N1成正比，受激輻射與成正比，受激輻射與E2的原子數(shù)的原子數(shù)N2 成成正比。當(dāng)正比。當(dāng) 時(shí)發(fā)生受激輻射遠(yuǎn)少于發(fā)生受激吸收，是不時(shí)發(fā)生受激輻射遠(yuǎn)少于發(fā)生受激吸收，是不可能實(shí)現(xiàn)光放大的?？赡軐?shí)現(xiàn)光放大的。21NN10要實(shí)現(xiàn)光放大，必須采取特殊措施，打破原子數(shù)在熱平衡下要實(shí)現(xiàn)光放大，必須采取特殊措施，打破原子數(shù)在熱平衡下的玻耳茲曼分布，使的玻耳茲曼分布，使N2N1.我們稱體系的這種狀態(tài)為我們稱體系的這種狀態(tài)為粒子數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)(或或“負(fù)溫度負(fù)溫度”體系體系)。所以，產(chǎn)生激光的首要條件是實(shí)現(xiàn)。所以，產(chǎn)生激光的首要條件是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。右圖

13、所示是粒子右圖所示是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，(四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)) 。 能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)。要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)。要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，首先要求介質(zhì)有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)，其次還要有必要的能分布，首先要求介質(zhì)有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)，其次還要有必要的能量輸入系統(tǒng)。供給低能態(tài)的原子以能量，促使它們躍遷到高能量輸入系統(tǒng)。供給低能態(tài)的原子以能量，促使它們躍遷到高能態(tài)去的過程稱為態(tài)去的過程稱為抽運(yùn)過程抽運(yùn)過程。11由于由于E3能級的壽命較能級的壽命較長，長，E3能級上將停留能級上將停留有大量原子，而處于有大量原子，而處于E2能級上的原子數(shù)目能級上的原子數(shù)目

14、極少，如極少，如 (b)圖所示。圖所示。這樣就建立起了一個(gè)這樣就建立起了一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)體系。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)體系。當(dāng)用頻率為當(dāng)用頻率為(E4E1)/h的光照射時(shí)，一部分原子將迅速躍遷的光照射時(shí)，一部分原子將迅速躍遷到到E4能級，從而使該能級上原子數(shù)大為增加。但是，處于能級，從而使該能級上原子數(shù)大為增加。但是，處于E4能能級的原子將迅速以與其他原子碰撞等無輻射躍遷跳到平均壽命級的原子將迅速以與其他原子碰撞等無輻射躍遷跳到平均壽命較長的較長的(約約1031 s)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E3能級上去。能級上去。 此時(shí)，從此時(shí)，從E3E2的自發(fā)輻射就會(huì)引起連鎖的受激輻射，其頻的自發(fā)輻射就會(huì)引起連鎖的受激輻射，其頻率率3

15、2(E3E2)/h 。123、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔自發(fā)輻射概率與輻射場的能量密度無關(guān)，而受激輻射概率與自發(fā)輻射概率與輻射場的能量密度無關(guān)，而受激輻射概率與輻射場的能量密度成正比。因此，在激光器中我們利用輻射場的能量密度成正比。因此，在激光器中我們利用光學(xué)光學(xué)諧振腔諧振腔來形成所要求的強(qiáng)輻射場，使輻射場能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大來形成所要求的強(qiáng)輻射場，使輻射場能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱平衡時(shí)的數(shù)值，從而使受激輻射概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射于熱平衡時(shí)的數(shù)值，從而使受激輻射概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射概率。概率。如圖所示，光學(xué)諧振腔的如圖所示，光學(xué)諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行主要部分是兩個(gè)互相平行的并與激活介質(zhì)軸線垂直的并與激活

16、介質(zhì)軸線垂直的反射鏡的反射鏡 M1和和 M2。其中。其中M1 是全反射鏡，是全反射鏡，M2 是部是部分反射鏡。分反射鏡。光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔13在外界通過光、熱、電、化學(xué)或核能等各種方式的激勵(lì)下，諧在外界通過光、熱、電、化學(xué)或核能等各種方式的激勵(lì)下，諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)將會(huì)在能級振腔內(nèi)的激活介質(zhì)將會(huì)在能級E3和和E2之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這時(shí)由自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率為時(shí)由自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率為(E3E2)/h 的光子就會(huì)激發(fā)的光子就會(huì)激發(fā) E3能級上的原子產(chǎn)生受激輻射。能級上的原子產(chǎn)生受激輻射。在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的光在兩個(gè)反射鏡之間來在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的

17、光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射、往復(fù)通過已實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起回反射、往復(fù)通過已實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進(jìn)的該頻率的光得到放大，這個(gè)過程新的受激輻射，使軸向行進(jìn)的該頻率的光得到放大，這個(gè)過程稱為光振蕩。稱為光振蕩。這是一種雪崩式的放大過程這是一種雪崩式的放大過程 ，使諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增強(qiáng)，使諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增強(qiáng)，所以輻射場能量密度大大增強(qiáng)，受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自發(fā)輻射。所以輻射場能量密度大大增強(qiáng)，受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自發(fā)輻射。這種受激的輻射光從部分反射鏡這種受激的輻射光從部分反射鏡 M2輸出，它就是激光。輸出，它就是激光。沿其他方向傳播的光很快

18、從側(cè)面逸出諧振腔，不能被繼續(xù)放大。沿其他方向傳播的光很快從側(cè)面逸出諧振腔，不能被繼續(xù)放大。而自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率不等于而自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率不等于(E3E2)/h 的光，由于根本不可的光，由于根本不可能引起受激輻射，也得不到放大。能引起受激輻射，也得不到放大。14因此，實(shí)際上輸出的僅是頻率因此，實(shí)際上輸出的僅是頻率(E3E2)/h 的沿軸向傳播的激的沿軸向傳播的激光。因此，從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。光。因此，從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。在實(shí)際激光器中，存在著使光強(qiáng)減弱的各種損耗。如介質(zhì)的吸在實(shí)際激光器中，存在著使光強(qiáng)減弱的各種損耗。如介質(zhì)的吸收及散射等。只有當(dāng)光在

19、諧振腔中來回一次所得到的增益收及散射等。只有當(dāng)光在諧振腔中來回一次所得到的增益(增益增益G定義為光通過諧振腔單位長度時(shí)光強(qiáng)增加的比例定義為光通過諧振腔單位長度時(shí)光強(qiáng)增加的比例)大于同一過大于同一過程的損耗時(shí)，光放大才會(huì)實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生激光的最小增益稱為閾值程的損耗時(shí)，光放大才會(huì)實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生激光的最小增益稱為閾值增益增益(或閾值條件或閾值條件)，記為，記為Gm。計(jì)算表明。計(jì)算表明1211ln2mGLR R式中式中L是諧振腔長度，是諧振腔長度，R1與與R2分別是兩反射鏡的反射系數(shù)。這分別是兩反射鏡的反射系數(shù)。這就是產(chǎn)生激光所必須滿足的閾值條件。就是產(chǎn)生激光所必須滿足的閾值條件。154、 橫模與縱模橫模與縱

20、模激光模式有橫模與縱模之分。按光的波動(dòng)理論，簡單地說，激光模式有橫模與縱模之分。按光的波動(dòng)理論，簡單地說，在與諧振腔軸線垂直的截面上形成的光的橫向駐波模式稱為在與諧振腔軸線垂直的截面上形成的光的橫向駐波模式稱為橫模橫模。產(chǎn)生橫模的原因很多，其中主要是不沿軸線方向傳播。產(chǎn)生橫模的原因很多，其中主要是不沿軸線方向傳播的光束相互加強(qiáng)干涉引起的。的光束相互加強(qiáng)干涉引起的。不同頻率的光束在沿諧振腔軸線方向上形成不同的縱向駐波不同頻率的光束在沿諧振腔軸線方向上形成不同的縱向駐波模式稱為模式稱為縱?？v模，也叫軸模。顯然，縱模是由頻率不同引起的。，也叫軸模。顯然，縱模是由頻率不同引起的。 諧振腔除了實(shí)現(xiàn)光振蕩

21、的作用外，還有一個(gè)作用就是選頻，諧振腔除了實(shí)現(xiàn)光振蕩的作用外，還有一個(gè)作用就是選頻，即通過縮短諧振腔長度以擴(kuò)大相鄰兩縱模的頻率間隔達(dá)到減即通過縮短諧振腔長度以擴(kuò)大相鄰兩縱模的頻率間隔達(dá)到減少縱模個(gè)數(shù)的目的。少縱模個(gè)數(shù)的目的。 16在兩反射鏡間沿軸向行進(jìn)的光束，由于諧振腔長度在兩反射鏡間沿軸向行進(jìn)的光束，由于諧振腔長度L與光波與光波波長之比是一個(gè)很大的數(shù)目，所以有許許多多波長不同的光波長之比是一個(gè)很大的數(shù)目，所以有許許多多波長不同的光波能符合反射加強(qiáng)的條件，即波能符合反射加強(qiáng)的條件，即11222nLKK 式中式中n是腔內(nèi)激活介質(zhì)的折射率，是腔內(nèi)激活介質(zhì)的折射率，K是縱模模數(shù)。是縱模模數(shù)。 根據(jù)原

22、子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命根據(jù)原子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命108s，按測不準(zhǔn)關(guān)系，從，按測不準(zhǔn)關(guān)系，從E 和和Eh可推知可推知 ，即譜線的自然，即譜線的自然寬度約為寬度約為107Hz；再加上其他因素；再加上其他因素(碰撞增寬與多普勒增寬碰撞增寬與多普勒增寬)，一，一般譜線寬度為般譜線寬度為109Hz。12Evh 由上式微分可知，兩相鄰縱模由上式微分可知，兩相鄰縱模K與與K1之間的波長間隔為之間的波長間隔為 22KnL 17因此在腔長因此在腔長L內(nèi)能獲得干涉加強(qiáng)的縱模的個(gè)數(shù)內(nèi)能獲得干涉加強(qiáng)的縱模的個(gè)數(shù)而頻率間隔為而頻率間隔為22ccvnL 92102vvnLNnLvcc還是有限的幾個(gè)。如還是有限的幾個(gè)。

23、如632.8 nm的的He-Ne激光，激光，109Hz而而15107Hz，則最大模數(shù)，則最大模數(shù)N6。如果腔長。如果腔長L再變短，則模數(shù)再變短，則模數(shù)N還可以減少。還可以減少。18激光器基本上由三部分組成：激光器基本上由三部分組成：1、工作物質(zhì)：、工作物質(zhì)：這是發(fā)射激光的發(fā)光材料。這是發(fā)射激光的發(fā)光材料。2、共振腔：、共振腔：由放在工作物質(zhì)兩端的反射鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。由放在工作物質(zhì)兩端的反射鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。要求：要求：(1)光學(xué)性質(zhì)均勻，光學(xué)透明性良好，性能穩(wěn)定；光學(xué)性質(zhì)均勻，光學(xué)透明性良好，性能穩(wěn)定； (2)具有亞穩(wěn)態(tài)能級；有較高的量子效率。具有亞穩(wěn)態(tài)能級；有較高的量子效率。作用作用：(1

24、)正反饋?zhàn)饔?；正反饋?zhàn)饔茫?2)選模作用。選模作用。 3、泵浦源、泵浦源: 向工作物質(zhì)供應(yīng)能量，把原子，分子從基態(tài)激發(fā)向工作物質(zhì)供應(yīng)能量，把原子，分子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；抵消損耗。到高能態(tài)，以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；抵消損耗。常用泵浦源：光學(xué)泵源、氣體放電泵源、粒子束泵源、化學(xué)常用泵浦源：光學(xué)泵源、氣體放電泵源、粒子束泵源、化學(xué)泵源。泵源。191、單色性好、單色性好光的譜線寬度光的譜線寬度描述了光的單色性。單色性較好的普通光描述了光的單色性。單色性較好的普通光107109Hz，而經(jīng)過穩(wěn)頻的，而經(jīng)過穩(wěn)頻的He-Ne激光器、波長為激光器、波長為632.8nm的紅光可得到頻寬的紅光可得到頻

25、寬101Hz。單色性提高了。單色性提高了108109倍以上。激光極好的單色性使得激光可作為長度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行倍以上。激光極好的單色性使得激光可作為長度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精密測量。精密測量。2、方向性好、方向性好光的方向性用光束的發(fā)散角來度量。激光的發(fā)散角可以做到光的方向性用光束的發(fā)散角來度量。激光的發(fā)散角可以做到小于或等于小于或等于103105 rad。因此激光束幾乎是平行光束，若。因此激光束幾乎是平行光束，若將激光射向幾千米之外，光束直徑也只增加幾厘米。根據(jù)這將激光射向幾千米之外，光束直徑也只增加幾厘米。根據(jù)這一特性可把激光用于定位、導(dǎo)向、測距等工作。一特性可把激光用于定位、導(dǎo)向、測距等工作。203、相干性

26、好、相干性好 光束的空間相干性是與方向性光束的空間相干性是與方向性(發(fā)散角發(fā)散角)緊密相關(guān)的。激光具有緊密相關(guān)的。激光具有極好的方向性即意味著同時(shí)具有極好的空間相干性，用它作極好的方向性即意味著同時(shí)具有極好的空間相干性，用它作相干光源時(shí)，干涉圖樣有良好的可見度。光束的時(shí)間相干性相干光源時(shí)，干涉圖樣有良好的可見度。光束的時(shí)間相干性與單色性緊密相關(guān)與單色性緊密相關(guān).激光具有極好的單色性即意味著它同時(shí)具激光具有極好的單色性即意味著它同時(shí)具有極好的時(shí)間相干性，用它作相干光源可以觀察到較高級次有極好的時(shí)間相干性，用它作相干光源可以觀察到較高級次的干涉條紋，可以進(jìn)行長距離范圍的精密測量。的干涉條紋，可以進(jìn)

27、行長距離范圍的精密測量。4、能量集中、能量集中由于激光束方向性好，使能量在空間高度集中，利用激光脈由于激光束方向性好，使能量在空間高度集中，利用激光脈沖或鎖模調(diào)沖或鎖模調(diào)Q等措施，還可以使能量壓縮到極短時(shí)間內(nèi)發(fā)射，等措施，還可以使能量壓縮到極短時(shí)間內(nèi)發(fā)射，所以激光光源有極大的亮度。所以激光光源有極大的亮度。21激光在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用基本上是利用了激光是定激光在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用基本上是利用了激光是定向的強(qiáng)光和很好的單色相干性方面的特性。但是激光這兩方向的強(qiáng)光和很好的單色相干性方面的特性。但是激光這兩方面的特性往往不能截然分開，所以有的應(yīng)用面的特性往往不能截然分開，所以有的應(yīng)用(如

28、非線性光學(xué)如非線性光學(xué))與與激光的兩方面特性都有關(guān)。激光的兩方面特性都有關(guān)。激光測距有三種方法：激光測距有三種方法：u 其一是干涉測長，利用激光優(yōu)越的相干性，以激光波長為其一是干涉測長，利用激光優(yōu)越的相干性，以激光波長為基準(zhǔn)，測量干涉條紋數(shù)目的變化即可轉(zhuǎn)換為長度的變化?；鶞?zhǔn)，測量干涉條紋數(shù)目的變化即可轉(zhuǎn)換為長度的變化。u 其二是激光調(diào)制測距，對激光加以強(qiáng)度調(diào)制后發(fā)射出去，接其二是激光調(diào)制測距，對激光加以強(qiáng)度調(diào)制后發(fā)射出去，接收到被照射物的反射光，求出發(fā)射光與反射信號調(diào)制波的位相收到被照射物的反射光，求出發(fā)射光與反射信號調(diào)制波的位相差，即可轉(zhuǎn)換成被測距離。差，即可轉(zhuǎn)換成被測距離。u 其三是激光雷

29、達(dá)測距，測量激光脈沖往返時(shí)間即可以精確測其三是激光雷達(dá)測距，測量激光脈沖往返時(shí)間即可以精確測定目標(biāo)離我們的距離。定目標(biāo)離我們的距離。1、激光測距、激光測距222、激光加工與激光醫(yī)療、激光加工與激光醫(yī)療激光的空間相干性很好，能把光束聚焦成光強(qiáng)激光的空間相干性很好，能把光束聚焦成光強(qiáng)1061010 W/cm2以上的小光斑，它能以很精細(xì)的以上的小光斑，它能以很精細(xì)的(約約1 m)的空間尺度加熱材料，的空間尺度加熱材料，達(dá)到打孔、焊接、機(jī)械加工以及控制加熱以產(chǎn)生材料的結(jié)構(gòu)變達(dá)到打孔、焊接、機(jī)械加工以及控制加熱以產(chǎn)生材料的結(jié)構(gòu)變化等。同時(shí)，特定的材料對合適波長的激光吸收深度很小，可化等。同時(shí)，特定的材料

30、對合適波長的激光吸收深度很小，可以在材料表面淺層加熱，并且不會(huì)污染材料。激光光束甚至可以在材料表面淺層加熱，并且不會(huì)污染材料。激光光束甚至可以穿過任何透射材料去加工密閉的內(nèi)部零件。以穿過任何透射材料去加工密閉的內(nèi)部零件。激光的這種高強(qiáng)度的聚焦光束也廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。它不僅可激光的這種高強(qiáng)度的聚焦光束也廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。它不僅可用做手術(shù)刀，高度精確地選擇病變部位進(jìn)行手術(shù)，而且還可利用做手術(shù)刀，高度精確地選擇病變部位進(jìn)行手術(shù)，而且還可利用激光的光致離解作用清除病變組織而保護(hù)健康的組織；可以用激光的光致離解作用清除病變組織而保護(hù)健康的組織；可以利用激光誘發(fā)的沖擊波清除續(xù)發(fā)性白內(nèi)障，配合使用光導(dǎo)纖維利用激光誘發(fā)的沖擊波清除續(xù)發(fā)性白內(nèi)障，配合使用光導(dǎo)纖維能用來粉碎各種體內(nèi)器官的結(jié)石。能用來粉碎各種體內(nèi)器官的結(jié)石。233、光信息處理和激光通信、光信息處理和激光通信激光在信息處理方面的應(yīng)用，其一是光盤的高速高密度記錄。激光在信息處理方面的應(yīng)用，其一是光盤的高速高密度記錄。無論是聲盤或視盤利用調(diào)制方法把激光束變成數(shù)字激光信