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文檔簡介
第十四章激光和固體的量子理論
§14.1激光(Laser)
——受激輻射光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)世界上第一臺激光器——紅寶石激光器(T.H.Maiman,1960)1.激光的產(chǎn)生⑴受激輻射自發(fā)輻射(spontaneousradiation):①h——處于高能態(tài)(Eh)的原子,在沒有外界作用下,自發(fā)躍遷到低能態(tài)(El),并發(fā)出一個光子(h=Eh-El).EhEl光的吸收:②h——原子吸收入射光子(h=Eh-El),從低能態(tài)(El)躍遷到高能態(tài)(Eh).EhElhhh③受激輻射(stimulatedradiation):——處于高能態(tài)(Eh)的原子,受入射光子(h=Eh-El)的誘導(dǎo)作用,躍遷到低能態(tài)(El),并發(fā)出一個與入射光子的頻率、相位、振動方向和傳播方向都完全相同的光子.EhEl④光放大(lightamplification):——若有一批原子處于高能態(tài)(Eh),則在一個入射光子(h=Eh-El)的作用下,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.⑵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)由Boltzmann分布律確定:e.g.He-Ne激光器:=632.8nm平衡態(tài)下:在入射光子(h=Eh-El)作用下,原子產(chǎn)生吸收(ElEh)的概率和產(chǎn)生受激輻射(EhEl)的概率相同,因此在正常情況下,吸收占優(yōu).設(shè)法使N(Eh)>N(El),這種反常狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion).能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì),稱為激活介質(zhì)(activemedium)或工作物質(zhì).
激活介質(zhì)的特點(diǎn):存在壽命較長(10-3~1s)的激發(fā)態(tài)——亞穩(wěn)態(tài)(metastablestate).He-Ne激光器:碰撞632.8nmNote:這里“三能級”和“四能級”指激光運(yùn)轉(zhuǎn)中涉及到的能級個數(shù),并非指激活介質(zhì)的所有能級數(shù)。HeNeE3E1E2E4E2E3E4電激發(fā)2.激光的特性⑴方向性好——發(fā)散角:10-3~10-6rad⑵強(qiáng)度高——強(qiáng)度可達(dá)1017W/cm2(氧炔焰~103W/cm2)激光器輸出功率:連續(xù)可達(dá)105W脈沖可達(dá)1014W(世界電站總功率~1012W)⑶單色性好——:10-6~10-9nm⑷相干性好——是相干光3.激光的應(yīng)用激光測距:月-地距離誤差~幾cm激光加工:打孔、切割、焊接、表面處理激光醫(yī)療:激光手術(shù)刀,視網(wǎng)膜焊接,角膜切割,腫瘤診斷(光動力學(xué)方法),創(chuàng)傷愈合,針灸、美容等軍事:激光制導(dǎo),束能武器,激光致盲核技術(shù):分離同位素,引發(fā)核聚變信息技術(shù):光通信,信息存儲,全息照相⒋光學(xué)諧振腔(opticalcavity)——一對平行的反射鏡,鏡面與激活介質(zhì)的軸線垂直.激活介質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激勵能源激光輸出⑴提高激光的方向性沿軸向傳播的光,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。⑵提高激光的單色性光在腔內(nèi)來回反射,產(chǎn)生多光束干涉,結(jié)果,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。作用:Notes:①諧振腔的閾值條件(thresholdcondition)——增益大于損耗當(dāng)光在腔內(nèi)來回一次所得到的放大(稱為增益),超過同一過程中光的損耗(介質(zhì)和反射鏡對光的吸收、散射等)時,才能真正實(shí)現(xiàn)光放大。②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的線偏振光。e.g.外腔式He-Ne激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)+諧振腔激光電源He,Ne布儒斯特窗100%反射99%反射1%透射激勵能源+激活介質(zhì)
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)綜上:激光器類型:氣體激光器(He-Ne,Ar+,CO2,準(zhǔn)分子等)液體激光器(染料)固體激光器(紅寶石,釔鋁石榴石(YAG)等)半導(dǎo)體激光
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