激光的形成与发展

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1、www.xulaoshi.com徐老师物理教育网QQ：15160453TEL：0563－3253876[科目]物理[关键词]物理科普/激光[文件]wlkp30.doc[标题]激光的形成与发展[内容]激光的形成与发展自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来，激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术，先进制造机器，工农业的发展都已起着很大影响，预期对二十一世纪的科学与技术，国民经济与国防的发展，都将发挥越来愈重要的作用。本文将就激光的形成与发展作一简要阐述。一、历史的回顾激光器的发明是与物理学长期基础研究的积累与技术的进步分不

2、开的，至少可追朔到过去的５０年。首先十九世纪末引起物理学观念的革命，１９００年德国物理学家普郎克，最先提出辐射的能量是量子化的概念，解释了黑体辐射的能量分布与光波波长的关系。以后如光电效应等一系列实验结果建立了光的量子论的观念，1913年丹麦物理学玻尔最早用量子论的观念于原子结构的研究，建立起原子中电子运动状态的变化与光辐射的联系，１９１７年爱因斯坦进而阐述辐射的量子模型时指出，原子中吸收光子只有一个过程，而原子电子发射光子存在两个过程，即自发发射与受激发射，这是首次被理论预言光源发射光子可能被感生辐射或称受激发射，并且指出受激辐射的光子与人射的光子具有相同频率，相同位相，相

3、同偏振，相同传播方向等特性。但对通常光源在通常发光时温度处于平衡态下受激辐射是无法观察到的。因之以后多人在研究观察受激辐射，引入负温度、负吸收等概念，直至１９５５年由美国科学家唐斯等与苏联科学家普罗霍洛夫等，首次提出三能级模型理论，同年实现了氨分子微波激射器。后于１９５８年美国的唐斯与萧洛，前苏联科学家巴索夫、普罗霍洛夫分别提出在红外及可见光波段实现量子放大器的理论。终于１９６０年首次被美国的梅曼用红宝石作工作介质，用脉冲氙灯作光泵，发明红宝石激光器及观察到激光现象，很快在许多国家的实验室重复了该项实验。www.xulaoshi.com徐老师物理教育网QQ：15160453T

4、EL：0563－3253876二、激光发射的基本过程（１）辐射的吸收与发射。众所周知，物质是由原子构成的，原子是由带正电的核与绕核运动的电子所构成。在微观世界中电子绕核运动能量不能有任意值，只能取某些固定值，为了表达电子的能量状态，通常用符号来表示，在一般条件下，电子都处于原子中最低态的能量值，称为基态，当电子离开基态至能量提升状态时称为激发态（），电子由基态至激发态，或由激发态返回基态时，一般伴随有电磁辐射过程，这些辐射可以是可见光、红外线，或紫外线，依赖于二态之间的能量差。与电磁波频率相应的光子能量值为其中、表示二能级的能量值，为电磁辐射频率，为固定值，称为普郎克常数，其

5、值为光子是辐射能量的最小单位，一般讲来只有正好符合二能级差的光子才能引起光子与电子间的相互作用，产生电子在不同能级间的跃迁。这些作用过程可分为三种，可用图１加以说明。www.xulaoshi.com徐老师物理教育网QQ：15160453TEL：0563－3253876图中代表跃迁机率系数，其中有为自发跃迁机率，为受激跃迁机率，为吸收机率。在外场作用下，若外场光场强度为，则总吸收机率与发射机率为：吸收=为光子密度，发射=，其中、为上下能级的粒子数浓度。在平衡条件下、的比例符合波兹曼分布，即/＝。其中为波兹曼常数，为绝对温度。所以吸收总是大于发射，观察到的只是吸收过程和自发发射，

6、光能只会减少。（2）粒子数分布反转。为了获得光通过的介质，光场能量获得增加，一般要使相应于入射光子的能级的粒子数分布反转，即高能态的粒子数大于低能级上的粒子数，不符合正常温度的平衡统计分布，这从简单二个系统中较难加以考虑。如果考虑有三个或四个以上能级的系统，在某一对特定能级间粒子分布反转是可以达到的。为了说明形成分布反转的能级状态，这里只选用了一个具有四能级系统的例子。www.xulaoshi.com徐老师物理教育网QQ：15160453TEL：0563－3253876（见图２）图２（）所描述的正常温度的粒子数分布，为粒子数占有随能量增加呈指数减少。图２（）中的基态粒子数大于

7、激发态的粒子数，当基态粒子吸收能量被激发至高激发态，由很快驰豫至态，粒子在态积累，态粒子数可大于态粒子数，即＞，在、态之间形成粒子分布反转，当的光子，通过这样的介质时，由于表现出能量的增加，从而获得增益放大。光通过该介质时如用指数函数描述，则，其中为人射光强，I为出射光强，k为放大系数，当k是为负值，即通常介质，表现为吸收，因之，具有光放大作用的介质，称为负吸收介质，光通过这种介质，光子强度获得增加。只要泵的速率足够大，与www.xulaoshi.com徐老师物理教育网QQ：15160453TEL：05