ch.1激光的基本原理final version

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1、第一章第一章激光基本原理激光基本原理一、激光发展简史二、基本原理爱因斯坦辐射理论三、激光的特点及应用当今激光产品已无所不在，而激光理论的基础是爱因斯坦建立起来的。1917年爱因斯坦在论文《论辐射的量子性》中，便提出了激光原理，并导出方程式，表明受激辐射会产生额外光子。他考虑的基本点是，分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的。他假设能量交换的过程，即分子跃迁的过程有两种基本方式，一种叫自发辐射，一种叫受激辐射。根据这两种方式发生的几率，他推导出玻尔的频率定则和普朗克的能量分布公式。这样他就把前一阶段量子论的各项

2、成果，统一在一个逻辑完备的整体之中。值得特别指出的是，爱因斯坦的受激辐射理论，为50年后激光的发展奠定了理论基础。在爱因斯坦论文面世后的几十年中，出现了零星产生受激辐射的实验报道，直到1950年代初期，美国哥伦比亚大学的科学家Townes认识到，实现辐射放大的关键部件是共振腔。在微波激射器出现后发明的激光器中，这个腔就是一个简单的空间，里面有两面镜子，这样光就可以在里面来回反射，强度逐渐增强，直到从一个镜面中射出激光束。具备了这些基本部件之后，工程师们发现很多物质都可以产生激光，包括浸有荧光染料的果冻甚至奎宁水。随着半导体产业和发光

3、二极管的发明，激光器的大规模应用成为现实。现在受激辐射应用在众多领域中：DVD播放机、水平仪和指示器，激光器还在飞机环状陀螺仪、商用切割工具、医疗器械和通讯信号的光纤传输等发挥作用。至于在军事上的应用，更是从防御到进攻，从武器到夜视仪，无所不为。激光已经成为科学研究中不可或缺的工具，多位研究者利用它，研究化学反应、操控微观物体，从而获得诺贝尔奖。在量子电子学领域中的基础研究导致了根据微波美国C.H.汤斯激射器和激光器的原理构成振荡器和放大器1964N.G.巴索夫前苏联用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作在量子电子学中的研究工作

4、导致微波激射器和激A.M.普洛霍罗夫前苏联光器的制作N.布洛姆伯根美国1981激光光谱学与非线性光学的研究A.L.肖洛美国朱棣文美国1997K.塔诺季法国激光冷却和陷俘原子菲利浦斯美国一、激光发展简史1900Planck提出能量子假说1905Einstein提出光量子理论1917Einstein提出受激辐射理论1953Towns建立第一台微波激射器（maser)1958Towns,Shawlow开始研制激光器1960Maiman制成第一台红宝石激光器激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光1961-65器，用于激光通讯；CO激光器，用

5、于激光熔炼、2激光切割、激光钻孔...1968-69月球上设置激光反射器；地面与卫星联系1982激光全息术80-90年代激光外科手术，通讯、光盘、激光武器...汤斯(Towns)：美国哥伦比亚大学肖洛美国贝尔实验室(Shawlow)：梅曼休斯实验室二.基本原理：爱因斯坦理论受激吸收自发辐射受激辐射微观粒子能量的量子化－能级能级微观粒子只能处于一系列本征状态E每一状态具有分立的能量值－－能级excitedstate能级简并：粒子有多种状态具有同样的能量groundstate能级简并度：具有同样的能量粒子状态数目粒子的能量----玻耳兹

6、曼分布E2−E1nf−22kT=enf11−23k=1.38×10K⋅J(玻尔兹曼常数)玻耳兹曼分布为动态分布若f＝f，则两能级上的原子数目之比21E2−E1n−2kT=e<1n1数量级估计：E2T～300K；kT～1.38×10-20J～0.026eV;E2-E1～1eV；～λ＝1.2μmE1E2−E11n−−2=ekT=e0.026≈10−17<<1n1E-E～0.1eV；～λ＝12μm21E2E2−E10.1n−−E2=ekT=e0.026≈0.021n1自发跃迁和自发辐射跃迁跃迁::微观粒子从一个状态到另一状态的过程自发跃迁

7、自发跃迁::微观粒子自发地从一个状态到另一状态的过程自发辐射自发辐射::微观粒子以发光的形式发生自发跃迁E2hν=E−E21E1发光前发光后自发跃迁几率dn2=An212dt自发跃迁几率自发跃迁爱因斯坦系数n2t−n=ne−A21t=neτsn2202011τs=自发跃迁寿命nsµsA21如果某激发态能级的寿命相对其它能级长得多，则称此能级为亚稳态能级)2cm-202.5bpol10n(cpoltio2.0cess1.5oscr1.0Metastablestateon4F3(R)issi0.52me0.010000)0.9303µm

8、tedla0.860.880.900.920.941.079µmwavelength(micrometer)l(cm-180001.34µm2)stimu2.5vecmbpol0le4-2kIcpol15600022.0on(104I