1、16.11 激光laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation普通光源-自發輻射激光光源-受激輻射前言激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是“輻射的受激發射光放大”。16.11 激光1按工作方式分 連續式（功率可達104 W） 脈沖式（瞬時功率可達1014 W ）激光種類： 固體（如紅寶石Al2O3） 液體（如某些染料） 氣體（如He-Ne，CO2） 半導體（如砷化鎵 GaAs） 按工作物質分16.11 激光2E1, N1E2, N2一. 自發輻射、受激輻射與受激吸收能級躍遷 光子的吸收和發射設E2 E1 ，光

2、子頻率 1. 自發輻射：各光子的頻率、相位、偏振態和傳播方向無關聯隨機過程，各粒子是否躍遷、何時躍遷互無關聯高能級粒子在無外界影響時以一定概率自發躍遷到低能級，并發出一個光子。特點：N1,2 單位體積中處于E1,2 能級的原子數。16.11 激光3單位體積中單位時間內，從E2 E1自發輻射的原子數： 寫成等式 A21 自發輻射系數 ，單個原子在單位 時間內發生自發輻射過程的概率。 N21 單位體積中從 E2 E1自發輻射的粒子數。 激發態平均壽命：粒子自發輻射時處于某激發態的平均時間亞穩態： 16.11 激光42. 受激輻射：高能級粒子受光子的激勵，躍遷到低能級并產生一個同頻率光子。 hE1E

3、2hh特點：輻射光子與入射光子頻率、相位、偏振方向及傳播方向完全相同 相干光光放大16.11 激光5溫度為時, 頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。設 (,T ) 單位體積中單位時間內,從E E 受激輻射的原子數：寫成等式B21：受激輻射系數 受激輻射具有光的放大作用。16.11 激光6h3. 受激吸收：低能級粒子受光子的照射，吸收該光子躍遷到高能級。 E1E2單位體積中單位時間內因吸收外來光而從E1E2 的原子數：寫成等式 B12：受激吸收系數16.11 激光7A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數。愛因斯坦在 1917年從理論上得出愛因斯坦的受

4、激輻射理論為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎。B21 = B12強光照射時自發輻射可略, 受激輻射和受激吸收競爭一般地，自發輻射、受激輻射與受激吸收同時存在。 光強變化：16.11 激光816.11 激光4粒子數反轉和光放大熱平衡時，各能級上的粒子數滿足Boltzmann分布： E1、E2能級上的粒子數之比 熱平衡時正常分布：高能級粒子少, 低能級粒子多例：T 300K，E1 E2 1eV時，916.11 激光粒子數反轉：N2 N1 外界刺激打破熱平衡時，受激輻射 受激吸收, 可實現光放大。粒子數反轉是實現光放大的必要條件之一。如何實現？激活物質 + 激勵/光泵/抽運 激活物質：有合適的

5、能級結構，能實現粒子數反轉。激勵：外界輸入能量使粒子從低能態躍遷到高能態。熱平衡分布時，dI 受激輻射。 由10E1(基態)E3(激發態)E2(亞穩態)16.11 激光二激光器原理具有亞穩態能級的物質有可能成為激活物質。 如紅寶石(Al2O3摻雜0.035%Cr+)，He-Ne, CO2等hhhh 無輻射躍遷三能級系統：激光工作物質 (增益物質） 激活物質1116.11 激光四能級系統：hhhh 無輻射躍遷E1(基態)E(激發態)E(亞穩態)E212全反鏡半反鏡16.11 激光2. 光學諧振腔初始誘發光子源于自發輻射 受激輻射隨機產生結構：全反鏡 + 半反鏡，嚴格平行原理： 怎么得到定向光束？

6、光學諧振腔！1316.11 激光 作用：使激光具有極好的方向性（沿軸線）；增強光放大作用（延長了工作物質）；使激光具有極好的單色性（選頻）。增益系數：增益光的放大；損耗光的吸收、散射、衍射、透射等(包括一端的部分反射鏡處必要的激光輸出)。激光形成階段：增益 損耗激光穩定階段：增益 損耗激光器內受激輻射光來回傳播時，并存增益和損耗14增益物質I016.11 激光定義：增益系數 G (gain coefficient)即：單位長度上光強增加的比例一般G不是常數。為簡單起見，近似認為G是常數。 經L距離后光放大G 描述光放大能力。 xOII+dIdx1516.11 激光閾值：反射時有損耗，與反射率r

7、有關： 考慮一次往返： 閾值條件： 閾值增益：只有G Gm時，才會出光，L越大，越容易出光 M1M2Lr1r21616.11 激光 即 須 I2 / I0 = 1在激光穩定階段，光強增大到一定程度后激光形成時G Gm，光放大為何不會無限放大？在激光的穩定階段，怎么又會G Gm ?解釋：實際的增益系數G不是常量,當 I 時，有 G。由于光強增大會伴隨著粒子數反轉程度的減弱（負反饋）當光強增大到一定程度，G下降為m， 增益 損耗，激光達到穩定。問題：1716.11 激光光學諧振腔的選頻作用：對有多種躍遷的情況，可以利用閾值條件來選出一種躍遷。 方法一：控制r1、r2的大小：例如氦氖激光器Ne原子的

8、0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激輻射光中, 只輸出0.6328 m的光對 0.6328 m 1、R2大 Gm小(易滿足閾值)對 1.15 m 、3.39 m 1、2小 Gm大方法二：對于單一的躍遷，還可以利用選擇縱模間隔的方法，進一步在譜線寬度內再選頻。1816.11 激光縱模：不同頻率的光在諧振腔中往返反射，只有能形成駐波的頻率存在，實現振蕩放大。駐波條件 （縱模） 縱模間隔： 能級寬度 譜線寬度 ab： 內的各縱模k均可出光， L越小，縱模越少，單色性越好縱模個數： 1916.11 激光3. 泵浦光源/激勵能源： 把低能粒子激發到高能態, 如：氙燈、泵浦激光等,要求光

9、子能量滿足工作物質的能級特點 橫模（略）2016.11 激光. 激光器舉例：紅寶石激光器(1960)：波長：694.3nm紅寶石泵浦光694.3nmE0(基態)E2(激發態)550nmE1(亞穩態)快衰變光抽運2116.11 激光半導體激光器：拋光解理面,鍍膜p-n結p型n型n型拋光解理面, 鍍半透膜偏壓引線偏壓引線(110)激光束GaAs半導體激光器2216.11 激光三. 激光特性與應用高定向性：球面度測月地距離 誤差幾十厘米（ 9位有效數字） 高單色性：譜線寬度，最好的常規光源高亮度：太陽表面約而目前的大功率激光器可達1017W/(cm2sr)以上，能量高度集中 高相干性：極好的相干光，

10、 光學實驗特性：2316.11 激光光纖通訊、光信息處理、光存儲、全息技術等測量（定向、測距、微小長度、角度、計量等）非接觸加工（如焊接、切割、打孔），激光武器小結：產生激光的必要條件. 激勵能源（使原子激發）. 粒子數反轉（有合適的亞穩態能級）.光學諧振腔（方向性，光放大，單色性）應用舉例：24激光加工 6KW CO2 激光加工機在進行金屬表面涂敷合金粉末的作業25C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 湯斯1954年在量子電子學研究中實現了氨分子的粒子數反轉，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫1958年幾乎同時在量子電子學的基礎研究中，根據微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導致了激光器的發明。The Nobel Prize in Physics 196426贈 言哈佛的告誡哈佛大學每一個新生入學時拿到的哈佛學習生活指南都在非常顯著的地方，用加大加粗的字體甚至套色印著這樣兩段話：“獨立思想是美國學界的最高價值。美國高等教育體系以最嚴肅的態度反對把他人的著作或者觀點化為己有即所謂剽竊。每一個這樣做的學生都將受到嚴厲的懲罰，直至被從大學驅逐出去。”“當你在準備任何類型的學