激光原理及应用

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1、一．激光与应用①方向性好：激光准直仪、激光手术刀②亮度大：红宝石激光器③相干性好：全息技术（全息储存、全系测量、全息电影、摄影）④能量密度高：激光打孔、激光焊接、激光切割⑤单色性好：氪灯，临床选择性治疗光谱技术【①②③为主要特点】二．爱因斯坦模型①一定种类的光子能量与一定的光的频率相对应ε=hν②一定种类的光子质量（考虑相对论）③一定种类的光子具有动量P，与一定的光的频率和传播方向相联系④一定种类的光子具有一定得偏振态⑤光子具有自旋，故光子是“玻色”子，即处于相同状态的光子数目是无限制的三．光与物质的相互作用（1）①自发辐射：在无外电磁场作用时，粒子自发地从E2跃迁到E1，发射光子h

2、ν②受激辐射：原处于高能级E2的粒子，受到能亮洽为hν=E2－E1的光子的激励，发出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1③受激吸收：原处于低能级E1的粒子，受到能量洽为hν=E2－E1的光子照射而吸收该光子的能量，跃迁到高能级E2（2）受激辐射是产生激光的最重要机理（3）三种作用是否同时存在？请说明理由这三种过程是同时发生的，若某原子自发辐射产生的光子，对于其他原子来讲是外来光子，会引起受激辐射和受激吸收，故三者同时发生，紧密联系四．推导光与物质相互作用之间的关系（1）画图【图见第三点】（2）假定：设想要把研究的原子系统充入绝对温度为T的空腔内，使光和物质的相互作用达到热平衡（

3、空腔黑体内辐射场ρν与物质原子相互作用的结果应该维持黑体处于温度为T的热平衡腔内）（3）关系依赖于哪几种过程：玻尔兹曼分布规律：腔内存在：表示的热平衡黑体辐射热平衡状态下，单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光子数目=单位时间内粒子体系向辐射场发射的光子数目受激吸收受激辐射自发辐射（4）三种过程相互联立：T→∞，g1B12=g2B21则五．解释谱线加宽的机理（1）实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内，每一条谱线都有一定的宽度，ν＝ν0只是谱线的中心频率，这种现象称为谱线加宽。（由于能级有一定的宽度，故当原子在能级自发发射时，它的频率也有一个范围Δνn）f（ν）：单位频率间隔的相对光

4、强分布Δνn=丨ν2－ν1丨为光谱线半值宽度（谱线宽度/线宽）（2）自然增宽：（量子解释）ΔtΔE=h/2π，Δνn为辐射的自然宽度（自发辐射），可知：寿命越长，能级密度ΔE越小，在基态τ（即Δt）→∞，ΔE→0，（τ相当于源自平均寿命）Δν大小由能级宽度决定结论：自然加宽谱线具有洛仑兹线型谱，线宽度完全由原子在能级的自发辐射寿命决定，进一步说明了加宽是由原子具有有限的激发态寿命引起的。②碰撞增宽：Ⅰ由气体粒子间或气体粒子与容器间的碰撞或固体粒子间的偶极相互作用而引起的谱线增宽Ⅱ对于气体而言，大量原子做无规则热运动时将不断发生碰撞（或原子与容器壁碰撞）这种碰撞会使源自发生中断或光波位

5、相发生突变，其效果均可看为使发光波列缩短）③多普勒增宽：大量同类原子发光时，气体原子的热运动是无规则的，原子的运动速度各不相同，所以不同速度的原子所发出的光被接收时的（表现）频率也不相同，因而引起谱线频率增宽六．小信号工作状态（特点）Δn°对应着激光谐振腔未发出激光时的状态，通常把这个状态叫做小信号工作状态。Δn°=R2τ2－（R1+R2）τ1（小信号工作时粒子数密度在能级间的反转分布值、能级寿命、抽运算律关系）满足要求：①E2能级的寿命要长，使该能级上的粒子不能轻易通过非受激辐射而离开②E1能级的寿命要断，使E1能级上的粒子能很快衰减③选择合适的激励能源，使它对介质的E2能级的抽运

6、速率R2越大越好，对E1能级的抽运速率R1越小越好七．组成激光器的三个基本要素及作用，三者之间的关系①有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构②有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转③有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性八．粒子数的反转分布（1）实现这种分布是否一定有激光产生？激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间粒子数密度反转分布，即Δn>0（或说增益系数G>0），所以实现这种分布一定有激光产生（2）什么是激光器的损耗及其分类及其产生的原因

7、激光器的损耗是指在激光谐振腔内的光损耗，分为：①内部损耗（与增益介质的长度有关）：在增益介质内部由于成分布均匀、粒子数密度不均匀或者有缺陷，光波通过这样的介质就会发生折射、散射，使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗②镜面损耗：当强度为I的光波射到镜面上，其中r1I（或r2I）反射回腔内继续放大，其它部分均为损耗，包括t1I（或t2I），镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗a1I或a2I（3）阈值（产生）：随着腔内光