大學(xué)物理10激光省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

第二十章激光主要內(nèi)容：激光第1頁20.1光與物質(zhì)作用基本過程物質(zhì)——原子體系基態(tài)

激發(fā)態(tài)

光——光子體系（能量:h

;動量:h/c;質(zhì)量:h/c2)基本模型考慮與產(chǎn)生激光相關(guān)兩個原子能級E1和E2(E2>E1)，以使問題大為簡化。

一、自發(fā)輻射

（spontaneousradiation）高能級E2上原子自發(fā)地躍遷到低能級E1發(fā)出

光子過程，稱為自發(fā)輻射。E2E1N2N1h

第2頁設(shè)單位體積中處于E1

、E2能級粒子數(shù)為N1

、N2E2

E1自發(fā)輻射原子數(shù)為

則單位體積中，dt時間從它是單個原子單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率。

指數(shù)衰減律

Ａ21

自發(fā)輻射系數(shù)，注意到：dN21=–dN2

于是有E2E1N2N1h

第3頁

10自發(fā)輻射各原子發(fā)光是獨(dú)立、無關(guān)非相干光。20考慮原子在E2能級平均停留時間稱為原子在E2能級平均壽命。▲例:原子在一秒鐘內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率為1/10，則該原子在激發(fā)態(tài)E2平均停留時間為10秒。普通激發(fā)態(tài)壽命：普通亞穩(wěn)態(tài)壽命：第4頁二、吸收（absorption）外來光頻率滿足h=E2–E1時，E1能級粒子吸收一個光子，躍遷到E2能級，稱為受激吸收E1

E2受激吸收原子數(shù)為

則單位體積中，dt時間從它是單個原子單位時間內(nèi)發(fā)生受激吸收概率。

B12

受激吸收系數(shù)，

w

光譜輻射能量密度受激吸收概率E2E1N2N1h

h

h

第5頁三、受激輻射

(stimulatedradiation)外來光頻率滿足h=E2–E1時，E2能級粒子受其刺激，躍遷到E1能級，同時輻射一個與外來輻射完全相同光子，稱為受激輻射。E2E1N2N1h

E2

E1受激輻射原子數(shù)為

則單位體積中，dt時間從它是單個原子單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射概率。

B21

受激發(fā)射系數(shù)，受激發(fā)射概率定義第6頁10受激輻射光與入射光頻率、偏振方向、相位及傳輸方向均相同——有光放大作用。2o

實(shí)際系統(tǒng)中，三種過程同時存在，只是各種過程所占比重不一樣。三種過程強(qiáng)弱由三個系數(shù)，即A2l、B2l和B

12表征，它們之間關(guān)系是

3o

比較受激輻射與吸收強(qiáng)度，有在室溫下：第7頁20.2激光形成原理問題提出:

我們希望產(chǎn)生光放大——受激輻射。

在什么條件下，受激發(fā)射能夠大于吸收。一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)單位時間、單位體積內(nèi)：吸收光能量是：受激輻射光能量是：凈增加光能量是：第8頁光強(qiáng)與光能量關(guān)系是利用三個系數(shù)關(guān)系——增益系數(shù)第9頁顯然：光強(qiáng)降低光吸收光強(qiáng)增加光放大（稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）二、激光工作物質(zhì)問題提出:

N2<N1N1N2EnNn在平衡態(tài)下，原子數(shù)目按能級分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：

第10頁在什么條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：尋求含有特殊能級結(jié)構(gòu)物質(zhì)；——稱為激光工作物質(zhì)含有激勵能源，使盡可能多粒子由低能級激發(fā)到高能級?！Q為泵浦源1.二能級系統(tǒng)E1E2B12B21A21二能級物質(zhì)是不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第11頁2.三能級系統(tǒng)E1——基態(tài)能級E2——亞穩(wěn)態(tài)能級E3——泵浦高能級在E1與E2之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，泵浦能量高3.四能級系統(tǒng)E1E2B13W21A31W12A21S32A32E1E2W14W32A41S21A32S43A23E1——基態(tài)能級E2——激光下能級E3——激光上高能級E4——泵浦高能級在E2與E3之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第12頁三、光學(xué)諧振腔(opticalharmonicoscillator)

若光能屢次重復(fù)進(jìn)出工作物質(zhì)，能夠提升光與物質(zhì)相互作用等效長度。能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)光反饋裝置稱為光學(xué)諧振腔。

（上圖是平行平面光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖）

激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光沿軸向光子，在兩反射鏡之間往返。引發(fā)工作物質(zhì)受激發(fā)射，產(chǎn)生出頻率、位相、偏振方向和傳輸方向都相同光子，輸出激光。第13頁四、閾值條件

工作物質(zhì)吸收、散射和反射鏡吸收、透射等原因而出現(xiàn)損耗。要產(chǎn)生激光振蕩，必須滿足一定條件，稱之為閾值條件。光在諧振腔中往返一次，須滿足全反射鏡部分反射鏡激光L是諧振腔腔長；r1、r2是兩反射鏡光強(qiáng)反射率。

閾值條件第14頁20.3激光模式與性質(zhì)一、激光縱模和單色性

因?yàn)橄喔尚砸螅瑵M足相干極大條件光波，才能存在，不然受到抑制，逐步消失。將腔內(nèi)允許存在波長和頻率稱為激光縱模。

輸出LA某時刻A處光有剛產(chǎn)生,也有往返反射一次、兩次、...,產(chǎn)生干涉。相長干涉才有輸出,條件為:光程差

(k=1、2、3、…．)第15頁例子：氦氖激光器Ne原子0.6328

m受激輻射光譜線寬度為

，如圖示。k＝1,2,3…

k—真空中波長Lk=1k=2k=3n—諧振腔內(nèi)媒質(zhì)折射率

0

1.3

109Hz第16頁

數(shù)量級預(yù)計(jì)：

Ｌ～1m；n～1.0；c～３×108m

s所以，在

區(qū)間中，能夠存在頻率種數(shù)為：II0經(jīng)過縮短腔長和控制反射鏡膜厚等伎倆可使輸出頻率數(shù)降低。第17頁I區(qū)間中只存在一個頻率。則

k要增大到10倍，在

區(qū)間中只可能存在比如利用縮短腔長來加大

k，能夠使

一個頻率。如上述He—Ne激光器L從1m縮短到0.1m，（但損失了光強(qiáng)）取得了線寬極窄0.6328

m

譜線激光輸出。極大地提升了單色性。第18頁

激光束在橫截面上光強(qiáng)分布常展現(xiàn)一系列有規(guī)則穩(wěn)定圖樣，這種穩(wěn)定分布圖樣，稱為激光橫模。表示：用TEMxy表示，TEM是橫電磁波英文縮寫，下標(biāo)x,y是激光束在橫截面上x方向、y方向出現(xiàn)暗區(qū)數(shù)目。

二、激光橫模和相干性TEM10TEM13TEM00TEM11xyxxxyyy第19頁TEM10，TEM11…稱為高階橫模。

原因：光束經(jīng)過反射，因?yàn)榉瓷溏R限制，產(chǎn)生屢次衍射，造成光束截面上能量穩(wěn)定分布。一個穩(wěn)定橫向光場分布對應(yīng)一個橫模。

屢次衍射造成不一樣方向光波混同，使光束截面上一點(diǎn)振動與截面上各點(diǎn)振動相互關(guān)聯(lián)，使激光含有良好相干性。TEM00稱為基橫模，2aL第20頁三、激光特點(diǎn)

1.單色性好和波長范圍很寬

單色性好：指光源包含波長范圍越窄，或顏色越單純

比較：氪燈，在λ=6047?處，

Δλ=0.0047?，Δλ／λ≈10-7

Δλ=10-7?，Δλ／λ≈10-11

氦—氖氣體激光，λ=6328?處波長范圍很寬：

不一樣激光工作物質(zhì)產(chǎn)生激光譜線數(shù)目已多至上萬個，這些譜線覆蓋從紫外到遠(yuǎn)紅外光譜范圍，近年來，其波長已擴(kuò)展到X射線波段。

第21頁2.亮度和強(qiáng)度極高脈沖瞬時功率可達(dá)～1014W

～光源亮度：強(qiáng)度：非聚焦?fàn)顟B(tài)I>亮度：B～

S

p

可產(chǎn)生108K高溫，引發(fā)核聚變聚焦?fàn)顟B(tài)可到達(dá)第22頁3.方向性好

▲投射到月球（38萬公里）光斑直徑僅約2公里，▲發(fā)散角可小到

10-4red（

0.1）測地—月距離精度達(dá)幾厘米?！す饬己梅较蛐裕m合于光盤、激光印刷、激光打印、激光掃描、激光顯示、激光打標(biāo)等領(lǐng)域應(yīng)用

4.相干性好

空間相干性好，激光波面上各個點(diǎn)能夠

時間相干性好，相干長度可達(dá)幾十公里。做到都是相干。第23頁5.高速調(diào)制

半導(dǎo)體激光器，可對激光直接進(jìn)行高速調(diào)制，調(diào)制速度可高達(dá)幾萬兆赫，或幾萬兆比特

適合光通信、光存放、光計(jì)算、光印刷等信息領(lǐng)域需要

6.顯著光壓效應(yīng)

光是有動量:hν/c

▲激光輻射強(qiáng)度高，能夠有顯著光壓效應(yīng)

▲在微電子領(lǐng)域，可用激光輻射壓力來清洗半導(dǎo)體片子；

▲激光壓力形成“光學(xué)鑷”，將精子和卵細(xì)胞無損傷地放到婦女輸卵管中，提升懷孕成功率

第24頁20.4激光器激光應(yīng)用按工作介質(zhì)分類:

固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器

按激光輸出方式分類：

連續(xù)激光器和脈沖激光器

一、經(jīng)典激光器2.固體激光器

●含有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大特點(diǎn)

●連續(xù)功率可達(dá)萬W以上，脈沖峰值功率可高達(dá)109W

●制備較復(fù)雜，因而價格較貴

第25頁2.氣體激光器

●常見氣體激光器有：He－Ne，CO2，Ar＋●含有結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好

●品種最多、應(yīng)用廣泛，占有市場達(dá)60％左右

3.半導(dǎo)體激光器

體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固

在光纖通信和光盤技術(shù)中有廣泛應(yīng)用

4.液體激光器或染料激光器

5.化學(xué)激光器、X光激光器、自由電子激光器

第26頁二、激光應(yīng)用利用激光高強(qiáng)度、良好聚焦性(平行性)

控制光柵刻機(jī)等。繪制集成電路圖，如芯片電路準(zhǔn)確分割，切割(連續(xù)打孔)：調(diào)整精密電阻，可在大氣中進(jìn)行?？焖佟⒎墙佑|，焊接(燒熔)：可加工硬質(zhì)合金鉆石等。鉆孔(燒穿)：★加工：效率高，第27頁雷達(dá)（分辨率高，可測云霧）等。

★測量：準(zhǔn)直、測距等?！镝t(yī)療：激光手術(shù)刀，血管內(nèi)窺鏡，治癌等?！镘娛拢杭す庵茖?dǎo)，激光炮等。★核技術(shù)：激光分離同位素（還利用了頻率準(zhǔn)確特點(diǎn)），激光核聚變（107─109K,氘─氚小彈丸）等。利用激光極好相干性：★測量：精密測長、測厚、測角，測流速（10-5─104m/s），定向（激光陀螺），測電流、電壓（磁光效應(yīng)），激光第28頁抗干擾性強(qiáng)?！锾綔y：微電子器件表面探測（激光─原子力顯微鏡可測25個原子厚度起伏改變)，單原子探測（利用光譜分析能測出1020個原子中一個原子）?！锶⒓夹g(shù)：全息存放，全息測量，