激光光谱学中的光源

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1、第四章激光光谱学中的光源二十世纪四大发明原子能、半导体、计算机、激光1954年汤斯和肖洛实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激光器；1958年普罗霍洛夫和巴索夫研制了振荡器和放大器。汤、普、巴三人共同赢得了1964年的诺贝尔物理学奖。1960年梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器1917年爱因斯坦提出了受激辐射理论；√能量集中，高方向性√高强度，高亮度激光的特性光束发散角=2α探照灯-35毫弧度=1度激光---10-2毫弧度√单色性好具有单一频率的光波称为单色光单色性：/λ或氪灯——10-6普通氦氖激光——10-12投射到月球（38万

2、公里）光斑直径仅约2公里测地—月距离精度达几厘米太阳表面亮度约103W·cm-2·sr-1；大功率激光亮度1010-1017W·cm-2·sr-1强度：聚焦状态可达到脉冲瞬时功率可达～1014W可产生108K的高温引起核聚变√相干性强相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源——几厘米激光可达——105千米普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光.光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于

3、与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差△E，频率为=△E/h（h为普朗克常量）。第一节物质与光相互作用的规律原子吸收外来光子能量,并从低能级跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.1.光吸收2自发辐射原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.3受激辐射原子中处于高能级的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级跃迁,

4、并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是激光。第二节粒子数反转受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器

5、却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。适当的工作物质，在适当

6、的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子数反转。1．激光工作物质必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段第三节激光器基本结构2.激励源（泵）为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去，激励源形象地称为泵。3．谐振腔所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，

7、面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：①提供光学正反馈，②限制激光的模式。光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。..........激光光束全反射镜光学谐振腔示意图部分透光反射镜谐振腔基本类型（1）、平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面反射镜构成(2)、凹面反射镜腔共焦腔：两反射镜焦距之和等于镜面间距f1+f2=L当f1=f2时，为对称共焦腔共心腔：两凹面

8、镜的曲率中心在腔内重合由相距为L，曲率半径分别为R1和R2的两块凹面反射镜构成。对于凹面反射镜，曲率半径R与焦距f的关系为：R1+R2=L(3)、平面凹面反射镜腔半