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激光


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19-11 激
激光又名镭射



它的全名是“辐射的受激发射光放大” 它的全名是“辐射的受激发射光放大” (Laser)
( Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation )

激光具有:相干性极好 单色性 空间相干性); 激光具有 相干性极好(单色性 空间相干性 相干性极好 单色性,空间相干性 方向性极好,亮度极高 脉冲瞬时功率大,. 亮度极高; 方向性极好 亮度极高;脉冲瞬时功率大
激光的波长从: 远紫外──可见光 可见光──亚毫米 激光的波长从 远紫外 可见光 亚毫米
(100 n m ) (1.222 m m )

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自发辐射、 一. 自发辐射、受激辐射和受激吸收 当光与物质的相互作用时, 原子的能级发生改变: 当光与物质的相互作用时 原子的能级发生改变 ? 原子可以吸收光子从低能级跃迁到高能级 原子可以吸收光子从低能级跃迁到高能级. ? 原子可以从高能级跃迁到低能级 释放出能量 原子可以从高能级跃迁到低能级, 释放出能量. 若释放的能量转化为体系的热运动动能 —无辐射跃迁 无辐射跃迁 若以辐射电磁波的形式释放能量—辐射跃迁 若以辐射电磁波的形式释放能量 辐射跃迁 在物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程 在物质发光和光吸收过程中 主要涉及三种过程: 主要涉及三种过程 自发辐射, 自发辐射 受激辐射和受激吸收 在实际的粒子系统中, 在实际的粒子系统中 这三种过程是同时存在 并互相关联的. 并互相关联的

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1.自发辐射 自发辐射(spontaneous radiation) 自发辐射
处于高能级E 的原子自发地向低能级E 处于高能级 2的原子自发地向低能级 1跃迁而放出光子 设 N1 、N2 — 单位体积中 N2 E2 处于E 处于 1 、E2 能级的原子数 hν 单位体积单位时间内,从 单位体积单位时间内 从E2 N1 → E1自发辐射的原子数 E

? dN21 ? ? ? ∝ N2 ? dt ?自发

1

写成等式

? dN21 ? = A N2 ? ? 21 dt ?自发 ?

A21 ?自发辐射系数
单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率 各原子自发辐射的光是独立的,无关的非相干光 各原子自发辐射的光是独立的 无关的非相干光

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2.受激辐射 (stimulated radiation) .
处于高能级E 的粒子在外来辐射作用下,跃迁回 处于高能级 2的粒子在外来辐射作用下 跃迁回 低能级E 同时发射一个与外来辐射相同频率的 低能级 1,同时发射一个与外来辐射相同频率的 光子. 光子 外来光频率满足: 外来光频率满足 N2

E2 ? E1 ν= h

E2

hν N1 全同光子

单位体积中单位时间 内,从E2→ E1受激辐 从 射的原子数: 射的原子数:

E1

表示温度 其中ρ(ν,T)表示温度 为T频率为ν 的辐射 频率为 ? dN21 ? 能量体密度 外来光 ? ? ∝ ρ(ν、T)N2 能量体密度(外来光 ? dt ?受激 子数密度). 子数密度

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写成等式

? dN21 ? ? ? = B 21 ρ (ν ,T ) N2 ? dt ?受激

B21为受激辐射系数

? dN 21 ? = W21 N2 则 ? dt ? 令 W21 = B21· ρ(ν,T) ? ) ?受激
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ——有光的放大作用。 有光的放大作用。 有光的放大作用

W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率 单个原子在单位时间内发生受激辐射的概率.

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3 . 受激吸收 受激吸收(absorption)
外耒光也有可能被吸收,使原子从 外耒光也有可能被吸收,使原子从E1→E2 . N2 单位体积单位时间吸收外来 E2 光而从E 的原子数: 光而从 1→E2 的原子数: hν ? dN 12 ? N1 ? ? = B12 ρ (ν ,T ) N1 E1 ? dt ?吸收 B12—— 吸收系数 ? dN 12 ? = W N1 ? ? 12 令 W12=B12 ρ(ν ,T) ? dt ?吸收

W12 ? 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率. 吸收过程的概率

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4. 爱因斯坦关系
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数 称为爱因斯坦系数.
热平衡时,从 和粒子数应等于从E 热平衡时 从E2→E1和粒子数应等于从 1→E2的粒子数

即:

A21N2 + B 21 ρ (ν ,T) N2 = B 12 ρ (ν ,T) N1 或: 1917年爱因斯坦从理论上得出 年爱因斯坦从理论上得出: 年爱因斯坦从理论上得出 3 8π hν B12 —爱因斯坦关系 爱因斯坦关系 B21 = B12, A21 = 3 C 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验 上获得激光奠定了理论基础。 上获得激光奠定了理论基础。

? dN21 ? ? dN21 ? ? dN12 ? ? ? +? ? =? ? ? dt ?自发 ? dt ?受激 ? dt ?吸收

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二. 激光原理 处于热平衡下的粒子, 处于热平衡下的粒子 满足玻耳兹曼分布

Nn ∝ e

En ? kT

则两能级上的原子数之比: 若 E2 > E 1,则两能级上的原子数之比 E ?E1 ? 2 N2 = e kT < 1 即能级越高 粒子数越少 即能级越高,粒子数越少 粒子数越少. N1 数量级估计: 数量级估计: T ~103 K; E 2-E 1~1eV; ;
? E2 ?E1 kT

kT~1.38×10-20 J ~ 0.086 eV; ~ ×

N2 =e N1

=e

1 ? 0.086

≈ 10 << 1

?5

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1. 粒子数反转 —克服受激辐射和吸收的矛盾. 克服受激辐射和吸收的矛盾 克服受激辐射和吸收的矛盾 自发辐射的光, 从E2 → E1 自发辐射的光,可能引起受激辐 射过程,也可能引起吸收过程。 射过程,也可能引起吸收过程。
? dN21 ? = B21ρ(ν ,T )N2 = W N2 ? ? 21 ? dt ?受激

? dN12 ? = B12ρ(ν ,T )N1 = W N1 ? ? 12 ? dt ?吸收
? dN21 ? ? dN12 ? >? ? ? 产生激光必须 ? ? dt ?受激 ? dt ?吸收

因 B21=B12 → W21=W12 粒子数反转)。 ∴必须 N2 > N1( 粒子数反转)。

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?如何实现粒子数反转 如何实现粒子数反转? 如何实现粒子数反转 (1) 外界能源的激励 称为泵浦或抽运 外界能源的激励(称为泵浦或抽运 称为泵浦或抽运) 能破坏热平衡,使处于基态的原子选择性地激 能破坏热平衡 使处于基态的原子选择性地激 发到高能级,实现两能级 实现两能级E 的粒子数反转. 发到高能级 实现两能级 2和E1的粒子数反转 实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质. 实现了粒子数反转的介质中激活介质或增益介质 外界激励的几种基本方式: 外界激励的几种基本方式: ? 气体放电激励 ? 原子间碰撞激励

? 光激励 光泵 光激励(光泵 光泵)
(2) 原子的上能级 2的平均寿命要长 亚稳态 原子的上能级E 的平均寿命要长(亚稳态 亚稳态)

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(3) 三能级系统能实现粒子数反转 E3与E1构成一个宽吸收 E3 激 带, E3上的原子无辐射 E2 抽 励 跃迁到E 跃迁到 2 运 A21 W12 W21 E2与E1构成粒子数反转 构成粒子数反转. E1 三能级体系效率不高. 三能级体系效率不高 (4)四能级系统能更容易地实现粒子数反转 四能级系统能更容易地实现粒子数反转 E3 E3 E1寿命短 寿命短, E2 E2 是亚稳态 是亚稳态. 激 能级的粒子数反转. 能级的粒子数反转 四能级体系效率高
因此能容易实现E 因此能容易实现 2与E1 励 抽 运A
21

W12

W21 E1 E0

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2.光学谐振腔 解决受激辐射与自发辐射的矛盾 光学谐振腔—解决受激辐射与自发辐射的矛盾 光学谐振腔 受激辐射的光子处于相同状态——相干光场 相干光场. 受激辐射的光子处于相同状态 相干光场 自发辐射的光子处于非相干状态. 自发辐射的光子处于非相干状态 要使受激辐射为主, 要使受激辐射为主 则要 即要求: 即要求 求 W21=B21ρ(ν) >A21 ν

A21 ρ(ν ) ≥ B21

即相干光场的单色辐射能量密度大于某个最小值. 即相干光场的单色辐射能量密度大于某个最小值 要增大ρ ν 必须使激活介质长度远大于其横向尺寸 要增大ρ(ν)必须使激活介质长度远大于其横向尺寸

不断引起受激辐射,使 ν 不断增 即由自发辐射光子不断引起受激辐射 使ρ(ν)不断增 大

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实际介质并不足够长,只有采用光学谐振腔 实际介质并不足够长 只有采用光学谐振腔 它由两个反射镜和激活介质构成一个光学谐振 腔
激励能源

?

?
全反射镜

激光

部分反射镜

光学谐振腔的作用: 光学谐振腔的作用: 作用 (1) 使非轴向光逸出腔外 轴向光来回反射 使非轴向光逸出腔外,轴向光来回反射 轴向光来回反射; (2) 延长介质长度 增强光放大 延长介质长度,增强光放大 增强光放大;

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(3) 使激光具有极好的方向性 只沿轴线发射 使激光具有极好的方向性 只沿轴线发射; 方向性,只沿轴线发射 (4) 使激光具有极好的单色性(选频性). 使激光具有极好的单色性 选频性) 单色性(
对于可能有多种跃迁的情况,利用光的干涉条件 对于可能有多种跃迁的情况 利用光的干涉条件 λ L= k 谐振腔的长度与波长满足: 谐振腔的长度与波长满足 2 不满足此频率的光将得不到加强而被淘汰. 不满足此频率的光将得不到加强而被淘汰 3. 阈值 阈值——维持振荡的条件 维持振荡的条件 谐振腔内粒子数反转密度愈大,光放大的增益越高 谐振腔内粒子数反转密度愈大 光放大的增益越高. 光放大的增益越高 同时,光子减少的过程 损耗也存在(多种原因 光子减少的过程—损耗也存在 多种原因).只 同时 光子减少的过程 损耗也存在 多种原因 只 有当增益大于损耗时,才能维持光振荡 才能维持光振荡. 有当增益大于损耗时 才能维持光振荡 维持振荡所需最小反转密度叫阈值反转密度. 维持振荡所需最小反转密度叫阈值反转密度 只有外界提供的能量超过其阈值才能有激光输出

三. 激光器

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1 . 激光器的种类: 按工作物质分 激光器的种类: 固体( 红宝石Al 固体(如红宝石 2O3) , 液体(如某些染料), 液体(如某些染料) 染料 气体( 半导体( 气体(如He-Ne,CO2), 半导体(如砷化镓 , GaAs)四类 )四类. 按输出方式分 连续的(功率可达10 连续的(功率可达 4 W), 脉冲的(瞬时功率 ) 脉冲的( 可达10 可达 14 W )2类. 类 2. 激光器的基本组成 激励能源 (1)工作物质 工作物质; 工作物质 激光束 激活介质 (2)光学谐振腔 光学谐振腔; 光学谐振腔 光学谐振腔 (3)激励能源 激励能源. 激励能源

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3. He-Ne气体激光器 气体激光器

工作介质是封闭在放电管(毛细管 中的 混合气体. 工作介质是封闭在放电管 毛细管)中的 毛细管 中的He-Ne混合气体 混合气体

He -Ne 激光器中 是辅助物质 是激活物质, 激光器中He是辅助物质 是激活物质, 是辅助物质,Ne是激活物质
He的气压约为 的气压约为1mmHg , He与 Ne之比为 ∶1 ? 10∶1. 之比为5∶ 的气压约为 与 之比为 ∶1.

放电管越长,输出的功率就越高 放电管越长 输出的功率就越高. 输出的功率就越高
一端反射镜反射率为100%,另一端反射率为 另一端反射率为98%. 一端反射镜反射率为 另一端反射率为

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?He-Ne激光器能级图 激光器能级图
亚稳态 21S0 23S1 He 碰撞转移 4S 1.15?m ? 3S 电子碰撞 11S0 2P 3P 5S Ne 亚稳态 3.39?m ? 4P

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He-Ne激光管的工作原理: 激光管的工作原理: 激光管的工作原理 如何使Ne的高能级 和 上具有了较多的原子 上具有了较多的原子? 如何使 的高能级5S和4S上具有了较多的原子? 的高能级 电子的碰撞, 被激发 被激发( 能级) ?由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率 由于电子的碰撞 和 能级 原子被激发的概率大; 比 Ne 原子被激发的概率大; ?He 的23S,21S 这两个能级都是亚稳态; 这两个能级都是亚稳态; He的这两个激发态上集聚了较多的原子. 的这两个激发态上集聚了较多的原子. 的这两个激发态上集聚了较多的原子 的能量几乎相等, ?由于Ne的5S 和4S与He的21S和23S的能量几乎相等, 由于 的 与 的 和 的能量几乎相等 当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移” 当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”; 而回到基态, ?在碰撞中 He 把能量传递给 Ne而回到基态, 而回到基态 则被激发到 ; 而Ne则被激发到 5S 或 4S;

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设法减少下能级的粒子数
?Ne的5S,4S是亚稳态,下能级 的 是亚稳态,下能级4P,3P 的寿命比上 能级5S,4S要短得多 这样就可以形成粒子数反转 要短得多,这样就可以形成粒子数反转 能级 要短得多 这样就可以形成粒子数反转. 放电管做得比较细(毛细管), ),可使原子与管壁 ?放电管做得比较细(毛细管),可使原子与管壁 碰撞壁频繁 借助这种碰撞,3 态的 频繁.借助这种碰撞 态的Ne原子可以 碰撞壁频繁 借助这种碰撞 S态的 原子可以 将能量交给管壁,发生 无辐射跃迁” 发生“ 将能量交给管壁 发生“无辐射跃迁”而回到基 态的Ne原子数 态2P,以及时减少 态的 原子数 有利于激 ,以及时减少3S态的 原子数,有利于激 光下能级4P与 态的抽空 光下能级 与3P态的抽空 原子可以产生多条激光谱线 ? Ne原子可以产生多条激光谱线,其中最强的有 原子可以产生多条激光谱线, 三条:0.6328?m; 1.15 ?m; 3.39 ?m;它们都是从 ? 它们都是从 亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的,因此较 亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的 因此较 易实现粒子数反转. 易实现粒子数反转

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四.激光的特性及应用 激光的特性及应用
1.相干性极好 相干性极好. 相干性极好
相干长度可达几十公里. 时间相干性好(? 时间相干性好 ? λ~10 – 9nm), 相干长度可达几十公里 空间相干性好,有的激光波面上 各个点都是相干光源. 空间相干性好 有的激光波面上 各个点都是相干光源

———精密测厚、测角,全息摄影等. 精密测厚、测角,全息摄影等 精密测厚 2.方向性极好 亮度高 方向性极好,亮度高 方向性极好
发散角可小到10 弧度,亮度可达太阳的几百亿倍 亮度可达太阳的几百亿倍. 发散角可小到 -4弧度 亮度可达太阳的几百亿倍

———准直、测距等. 准直、测距等 准直 3. 脉冲瞬时功率大(可达~10 14瓦) 脉冲瞬时功率大(可达~
激光的能量在空间上高度集中,在时间上也高度集中 激光的能量在空间上高度集中 在时间上也高度集中. 在时间上也高度集中

———手术、切割、焊接、打孔、武器等. 手术、切割、焊接、打孔、武器等 手术

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例1.激光光纤通讯 激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级, 好几个数量级, 一根极细的光纤 能承载的信息量, 能承载的信息量, 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量 信息量。 承载的信息量。

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(不需开胸,不住院) 例2 . 激光手术刀 不需开胸,不住院) ?照明束
主动脉 臂动脉 内窥镜 附属通道 有源纤维 套环 冠状动脉

……照亮视场 照亮视场 ? 纤维镜激光光纤 ……成象 成象 ? 有源纤维强激光
……使堵塞物熔化 ……使堵塞物熔化 ? 附属通道 可注入气或液) (可注入气或液) ……排除残物以明视线 排除残物以明视线

? 套环
照明束 纤维镜

……(可充、放气) (可充、放气) 阻止血流或使血流流通

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例3.激光 .激光——原子力显微镜 原子力显微镜 用一根钨探针或硅探针 在距试样表面几微米的 高度上反复移动,来探 高度上反复移动 来探 测固体表面的情况。 测固体表面的情况。

激光-原子力显微镜 激光 原子力显微镜 (AFM) )

激光器

分束器 布喇格室

棱镜
反馈机构

试样通常是微电子器件. 接计算机
压电换能器

探针尖端在工作时处于受迫 振动状态, 振动状态,其频率接近于探 针的共振频率。 针的共振频率。

微芯片 压电控制装置

例3.续 续

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探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用 其共振频率发生变化,因而振幅也随之改变。 时,其共振频率发生变化,因而振幅也随之改变。 为了跟踪尖端的振动情况, 为了跟踪尖端的振动情况,将一束激光分成两其中 一束通过棱镜反射,另一束则穿过布喇格室, 一束通过棱镜反射,另一束则穿过布喇格室,然后从 探针背面反射回来。 探针背面反射回来。 这两束光重新会合后发生干涉, 这两束光重新会合后发生干涉,根据干涉的情况可 知探针振动的变化情况。 知探针振动的变化情况。 据此可探知试样表面的原子起伏情况。 据此可探知试样表面的原子起伏情况。 毫微米的表面起伏变化 可检测出尺度小至 5毫微米的表面起伏变化。 毫微米的表面起伏变化。 用于检查微电路成品,制作微电路用的硅表面的质量 制作微电路用的硅表面的质量. 用于检查微电路成品 制作微电路用的硅表面的质量 随着微电子电路技术的进展, 随着微电子电路技术的进展,硅基片表面的不平坦度 如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。 如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。

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