激光原理及應(yīng)用

12-2激光原理及應(yīng)用2普通光源普通光源是光的自發(fā)輻射。特點：多波長、任意方向、不相干。普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內(nèi).3激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

（Laser）。激光是光的受激輻射。激光的特點：單色性好,方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一條直線傳播,通常發(fā)散角限制在10-6球面度量級的立體角內(nèi).4激光輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射5激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射！6激光技術(shù)發(fā)展簡史之一理論基礎(chǔ)：愛因斯坦的光子學(xué)說(1905)；波粒二象性(1909)輻射理論(1917)：提出了受激輻射的概念，預(yù)測到光可以產(chǎn)生受激輻射放大。Einstein7激光技術(shù)發(fā)展簡史之一理論基礎(chǔ)：

R.C.Tolman指出：具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有光學(xué)增益（產(chǎn)生激光的基本條件之一）（1924）。Tolman8激光技術(shù)發(fā)展簡史之一實驗基礎(chǔ)：Prokhorov和H.Townes分別獨立報導(dǎo)了第一個微波受激輻射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov9激光技術(shù)發(fā)展簡史之一

1958年Townes和Schawlow拋棄了尺度必須和波長可比擬的封閉式諧振腔的老思路，提出利用尺度遠大于波長的開放式光諧振腔實現(xiàn)Laser的新想。Schawlow10激光技術(shù)發(fā)展簡史之一美國休斯公司實驗室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在1960.5.16利用紅寶石棒首次觀察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器；他在Nature(8月16日)發(fā)表了一個簡短的通知。Maiman11激光技術(shù)發(fā)展簡史之一Maiman的第一臺激光器12中國第一臺激光器（1961）13激光技術(shù)發(fā)展簡史之二各種激光器的開發(fā):工作物質(zhì)：固體，氣體，染料，化學(xué)，離子，原子，半導(dǎo)體，X射線輸出功率：大功率，低功率工作方式：短脈沖，脈沖，超短脈沖，連續(xù)輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻率，穩(wěn)功率，穩(wěn)方向14我國激光器研究情況激光器的第一臺研制成功時間研制人紅寶石激光器（我國第一臺)1961年11月鄧錫銘、王之江He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤文等15激光技術(shù)發(fā)展簡史之三激光應(yīng)用技術(shù)信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲，光放大，光計算，光隔離器檢測技術(shù)方面的應(yīng)用：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)測量科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場測量，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過程等等16光盤存儲器原理—激光刻蝕與讀出17偏振光顯微鏡18激光全息防偽人民幣（建國50周年紀(jì)念幣）19激光控制核聚變20天文臺（激光導(dǎo)航星）來自納層的反射光（高度約100km)最大高度約35km來自空氣分子的Rayleigh光21激光測距與激光雷達22激光切割23長度測量24生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用25激光技術(shù)涉及的學(xué)科物理（光學(xué)）精密加工（光學(xué)諧振腔的制作）光學(xué)加工（光學(xué)鍍膜、光學(xué)裝調(diào)）電子技術(shù)（激光電源、控制電路）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)方法、誤差理論）26

1輻射理論概要與激光產(chǎn)生條件§1.1光波、光子——光的波粒二象性§1.2原子能級和輻射躍遷§1.3受激輻射§1.4光譜線增寬§1.5激光形成條件27光的波粒二象性波動性：傳播過程具有頻率、波長、偏振粒子性：光與物質(zhì)相互作用具有能量、動量、運動質(zhì)量光波是電磁波振動的電場；振動的磁場光與大多數(shù)探測器作用時，主要是電矢量起作用，故把電矢量稱作光矢量l28光的波粒二象性光波是橫波，有偏振方向，激光本質(zhì)上講是偏振光---偏振方向有時隨時間變化(2)自然光z傳播方向Ex(1)線偏振光ExyEy29光速、頻率和波長三者的關(guān)系(1)波長:振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。(2)光速(3)頻率：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)(4)三者的關(guān)系在真空中

各種介質(zhì)中傳播時，保持其原有頻率不變，而速度各不相同

30折射率始終大于1？自然界中所有材料的折射率均大于1，各種氣體的折射率近似等于1；

負折射率材料：當(dāng)介電常數(shù)<0，磁導(dǎo)率<0時，折射率n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）用復(fù)負折射率材料做增益介質(zhì)？31單色平面波(1)平面波波陣面或等相位面：光波相位相同的空間各點所連成的面平面波：波陣面是平面實際生活中無窮遠處傳來的光，透鏡前焦點上光源通過透鏡形成的光束可以看成平面波(2)單色平面波：具有單一頻率的平面波

準(zhǔn)單色波：實際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如稱為準(zhǔn)單色波。32單色平面波理想的單色平面波單色平面波的復(fù)數(shù)表示復(fù)振幅:代表振幅在空間的分布，輻角(-kz)代表位相在空間的分布

光強：單位時間內(nèi)通過垂直于光傳播方向單位面積的光波能量。光強與光矢量大小的平方成正比，即單色平面波的表示---行波方程單色平面波的表示---行波方程33球面波波陣面為一系列同心圓的波是球面波球面簡諧波方程：球面波的復(fù)數(shù)表示法：34光子在真空中一個光子的能量

光子的動量式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?s。

光子的具有運動質(zhì)量光的能量就是所有光子能量的總和。當(dāng)光與物質(zhì)(原子、分子)交換能量時，光子只能整個地被原子吸收或發(fā)射。352原子能級和輻射躍遷為了說明原子能級間的輻射躍遷，需要復(fù)習(xí)原子能級的概念；為了知道在不同的能級上原子的數(shù)量，需要了解簡并度的概念。36原子的能級物質(zhì)是由原子、分子或離子組成，而原子有帶正電的原子核及繞核運動的電子組成；電子一方面繞核做軌道運動，一方面本身做自旋運動。+e-e-e原子核電子角動量L=r×p37主量子數(shù)n，n＝1，2，3，…大體上決定原子中電子的能量值．不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運動;輔量子數(shù)l,l=0,1,2,…,(n-1)，它表征電子有不同的軌道角動量，這也同電子的能量有關(guān)。對l=0,1,2,3等的電子順次用s,p,d,f字母表示;磁量子數(shù)m=0，±1，±2，…±l.

決定軌道角動量在外磁場方向的分量;自旋量子數(shù)ms=±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動量在外磁場方向的分量;原子的能級原子中電子的狀態(tài)由下列四個量子數(shù)來確定：38原子的能級電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài)

電子的能級，依次用E0，E1，E2，…En表示；基態(tài)：原子處于最低的能級狀態(tài)；激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài)；E0基態(tài)E1E2En激發(fā)態(tài)39簡并能級、簡并度簡并能級：能級有兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài)；簡并度：同一能級所對應(yīng)的不同電子運動狀態(tài)的數(shù)目。氫原子1s,2p態(tài)的簡并度原子狀態(tài)nlms簡并度1s100±1/222p2110-1±1/2±1/2±1/26sssPPd40原子的電子組態(tài)根據(jù)殼層結(jié)構(gòu)模型，原子核外的電子依照一定規(guī)律分布；主殼層：主量子數(shù)n表示，稱K、L、M…層；每個主殼層包括若干子殼層：輔量子數(shù)l表示，s,p,d,…分別表示l=0,1,2,…；殼層KLMNn1234子殼層1s2s2p3s3p3d4s4p4d4fl0010120123容納電子數(shù)226261026101441原子的電子組態(tài)泡利不相容原理：多電子原子中，不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的量子數(shù)；電子充填原子殼層時，遵守最小能量原理，即在正常情況下(無外界激發(fā))，電子從最低的能級開始充填，再依次充填能量較高的能級。

電子數(shù)較多的原子不一定嚴(yán)格按上述規(guī)則填充（電子間的相互作用導(dǎo)致量子數(shù)n和l的競爭；

只有原子或離子的電子能級中未充滿子殼層的電子（即價電子）才與能級間的輻射躍遷有關(guān)。42波爾茲曼分布

現(xiàn)考慮由n0個相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級分布服從波爾茲曼定律：式中g(shù)i為Ei的簡并度；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱平衡時的絕對溫度；

ni表示處在Ei能級的原子數(shù)