现代光学的发展及其应用

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1、大学物理学补充教材（2）现代光学的发展及其应用——激光基础知识及其应用理学院物理教研室2002．8．1现代光学的发展及其应用——激光基础知识及其应用激光是二十世纪60年代发展起来的一门新兴科学，它是20世纪与原子能、半导体、计算机齐名的四大发明之一。它的出现标志着人们掌握和利用光波进入一个新的阶段，可以说它开启了光学物理的大门。激光是基于受激辐射放大原理产生的一种相干光辐射。Laser(即LightamplificationbystimulatedEmissionofradiation)最早人们叫它“光激射器”“光量子放大器”、“莱塞”称呼不统一，直到1964年由著名科学家钱学森给《光受

2、激发射时代报》杂志〈即现在中国激光〉编辑部一封信中建议给“Laser”取名为“激光”，这一建议在全国第三次激光辐射讨论会上一致赞同。在这以后，我国学术界开始统一使用“激光”这名词。1960上7月美国T·梅曼（T·maiman）制成世界上第一台红宝石激光器以后，激光技术发展十分迅速。目前，已拥有固体、气体、液体、半导体、原子等不同介质的激光器，波长从紫外直至红外波段。我国1961年中科院上海光机所邓锡铭院士随即研制成功国内第一台红宝石激光器，1962年He-Ne激光获得成功。近30-40年来，激光无论从理论研究到激光器的研制和它的应用都得到了突飞猛进的发展。它在国民经济各行各业和社会生活各

3、个方面都得到广泛应用。使现代光学技术发生了巨大变革，还促进了物理学和其它科学技术的发展。它是集光、机、电、计于一体的新技术，激光之所以有这么大的影响，与它具有的特性分不开。下面将介绍激光的产生机理、特性及它的应用。一、产生的机理光和粒子体系之间的相互作用具有三种不同的基本过程，即受激吸收过程、自发辐射过程和受激辐射过程。1、受激吸收过程：设有一个粒子最初处于低能级E1上，若有一个频率为v21=(E2-E1)/h的光子趋近它，处于低能级E1上的粒子就有可能吸收这个外来光子而被激发到高能级E2上，如图1所示，这种跃近过程就叫做光的受激吸收过程，被激发到高能级的粒子称为激活粒子。图1受激吸收过

4、程2受激吸收的特点是，必须有外来光子激发处于低能级的粒子，而且这个外来光子的频率必须是v=(E−E)/h。2121若外来的照射光强为I，则单位时间由发生受激吸收的粒子数与E上的粒子数N及I11成正比。dN12()=KNIB112dt式中K为比例系数，B12称为从能级E1到能级E2的受激吸收爱因斯坦系数。2、自发辐射过程被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们总会自发地向低能级跃迁（例如，人站在地面上是稳定的，一旦向上一跳就不稳定，自动地回到地面而处于稳定；桌子四脚着地是最稳定，重心较低，一旦二只脚抬高重心上移，就处于不稳定，它总会自发向地面下落，道理是一样的。）由于这个过程是在不受外界影响

5、下，完全自发地进行。因此称为自发辐射（跃迁）过程。自发跃迁放出能量∆E=E−E，释放能量方式有两种：一是将这部分能量转变为热21能传给其它粒子，称为无辐射跃迁（人跳后从高处回到地面，脚与地面产生热量无辐射跃进，桌子也同样），二是以光的形式释放出光子，称为自发辐射跃迁。如图2自发辐射跃迁过程发射的光子，其频率为v=(E−E)/h。自发辐射的光十分常见，如普通光源2121所发出的光。图2自发辐射（跃迁）过程自发辐射的特点：每个粒子跃迁都是自发、独立、彼此无关，因此发光杂乱无章。它在发射方向，偏振及初始位相均不一致。即非相干光。单位时间内自发辐射的粒子数只与E2能级上的粒子数N2成正比dN21

6、()=AN自发212dtA称为自发辐射爱因斯坦系数，它与粒子在这个激发态能级上的停留时间平均值（激21发态的平均寿命）τ成反比，即：2131A=21τ21−7−8一般激发态的粒子平均寿命τ=10~10s。因而在这样的能级上很难积存粒子，21−3但也有些激发态其平均寿命很长，可达到10~1s，这样的能级上，粒子相对来说是稳定的，这种能级叫亚稳态能级。亚稳态能级的存在是形成激光过程一个必要条件，也就是说只有存在亚稳态能级的物质才能成为激光工作物资。3、受激辐射过程光的受激辐射过程与受激吸收过程相反。当某个处于高能级E上的粒子，有v的光子趋近它时，这个粒子就有可能受到外来221光子的刺激（或叫

7、感应、诱导），而从高能级E跃进到低能级E，同时发出一个频率为21v=(E−E)/h的光子，于是有两同样的光子射出，辐射能量增大一倍，这种跃迁过2121程称受激辐射过程，光波放大，这就产生激光的基本概念。这二个光子状态相同，同方向、同频率、同相位、同偏振。受激辐射的光是相干光。显然单位时间内发生受激辐射的粒子数。图3受激辐射过程dN21()=KNIB受数221dtK比例系数，B21为受激辐射爱因斯坦系数。当E2和E1两能级的简并度相同