《激光原理与选模》PPT课件

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1、第二讲激光原理与选模电子工程学院光电子技术系主要内容一、激光历史回顾二、激光原理简述三、谐振腔的结构与作用四、激光模式的选择激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。一、激光的历史回顾（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于1961年研制出第一台激光器，从此

2、以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。光是（波长较短的）电磁波“激光”（LASER）一词是受激辐射光放大50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。该领域的有关诺贝尔奖1964:Townes,Basov,微波激射器和激光器的发明1971:DennisGa

3、bor,激光全息术1981:洛.布隆姆贝根,激光光谱学1997:朱隶文等三人,激光冷却和陷俘原子说明:朱隶文系美籍华人,1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究院院士2005：罗伊·格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献约翰·霍尔、奥多尔·汉斯：基于激光的精密光谱学研究授予在光学领域的理论和应用方面做出贡献的两名美国人和一名德国人。他们是：哈佛大学罗伊·格劳伯（下图左）、科罗拉多大学约翰·霍尔和德国路德维希-马克西米利安大学特奥多尔·汉斯（下图右）。格劳伯是因为“对光学相干的量子理论的贡献”而获奖，他的研究不仅为新兴的量子光学研究奠定了基础，他和其他科学家在这一领域的研究成果，也有望在

4、未来用于开发更加安全的通信加密技术。霍尔和汉斯获奖是因为对基于激光的精密光谱学发展做出了贡献，使“光梳”等技术的测量精度有望进一步提高，并将在很多领域找到用武之地。这些技术有望改进现有的全球定位系统，提高太空望远镜的观测精度。另外，类似的超高精度测量技术，也可能应用于研究物质和反物质的关系，以及用于检测某些自然界常数可能产生的变化。2005年诺贝尔物理学奖二、激光原理简述按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。

5、即：吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且，其中：E2为原子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。原子吸收E1E3E2图1-1原子吸收示意图hvE1E3E2与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放出

6、一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2自发辐射示意图E1E3E2自发辐射自发辐射的特点：这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外

7、来光子的能量恰好满足，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。Lightorlaser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图1-3受激辐射示意图hvhvhvhvhvhvhv输入输出图1-4光放大示意图这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，