《激光的应用》教案3

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1、激光的应用一、激光的简介激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历史却已有100多年。确切地说，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。爱因斯坦提出了一套全新的技术理论——光与物质相互作用。这一理论是说在组成物质的原子中，有有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的电子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它

2、的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称“激光”。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“LightAmplificationbyStimuIatadEmissionofRadiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。二、激光

3、的产生原理激光要实现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子，而且是从高能级向低能级跃迁，同时把变化的能量以光子的形式释放出来，这是激光形成的基础。然后，要对光子数密度进行不断放大，很快将极强的激光震荡而输出。但是，在一般情况下，自发辐射的几率远远大于受激辐射几率，而且通过提高温度的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的，这就需要能够容易产生光子的激光工作物质，同时需要在热平衡条件下对工作物质增加一个激励系统，打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布，形成反转粒子数分布，使得工作物质对光子的吸收为主变为对光子的放大超过吸收。为了实现放大辐射，就要提高光子简并度，因为工作物质不可能做得太长

4、，但是可以增加通过工作物质的次数使得光子数密度增大，这就需要有谐振腔，由两面发射镜组成的反馈光学系统。同时，为了提高同一状态内的光子数，必须大大减少谐振腔内的模式密度，这就需要将谐振腔做成开放式谐振腔，使得偏离光轴方向传播的光波模式损失掉，只保留少数沿光轴方向传播的模式。综上，激光的产生过程是：激光工作物质在泵浦源的激励下被激活，即介质处于粒子数反转状态，在粒子数反转分布的两能级和之间，由自发辐射过程产生很微弱的特定频率（）的光辐射。在自发辐射光子的感应下，在上下能级和之间产生受激辐射。这种受激辐射光子与自发辐射光子的性质（频率、相位、偏振、传播方向）完全相同，很快由这些光辐射

5、在介质中产生连锁反应，由于谐振腔的作用，这些光子在腔内多次往返经过介质，产生更多的同类光子密度，因此就可能使某类光子的受激辐射成为介质中占绝对优势的一种辐射，从而从谐振腔的部分透射镜端输出光能，这就是激光。三、激光的特性1、高方向性从激光器的部分反射镜一端输出的激光束基本上是沿着与镜面垂直的方向传播的，在单模和均匀介质中，激光的发散角已接近衍射极限角。（27）而激光的远场发散角半角：（28）在数值上已达到了以为半径的光束衍射极限角，实际上比同样粗细的平行光束的衍射极限角还小。2、高单色性放电管发射的光波不是单色的，而是有一定的频率范围，这频率范围内的所有频率，都可以在放电管所发

6、射的光波中找到，但是，如果把放电管放在光学谐振腔内，由于谐振腔的干涉作用，在发射出来的光波中，频率数目就不是原来那样多了，只有那些满足谐振腔共振条件而又落在工作物质的谱线宽度内的频率才能形成激光输出，不满足共振条件的频率，都在谐振腔内干涉相消了，而且谐振腔内总存在工作物质，它对出射光波的频率宽度也起着限制的作用，所以，激光的单色性比较好，激光的单色性定义为或，其中、为激光谱线的中疏频率和中心波长，和为相应的频率宽度和谱线宽度。单色性的两个重要的因素：原子发光寿命和多普勒效应。原子发光的寿命（即持续发光时间）和所发光的频率宽度是成反比的，发光时间愈长，则频率宽度愈窄，频率宽度愈窄

7、，光波的单色性就愈好。多普勒加宽越小，单色性越好。3、高亮度光源的单色辐射亮度定义为：（29）表示单位面积的光源在其法线方向上的单位立体角范围内传输的辐射功率。影响亮度的三个要素是：光束立体角，发光时间和光谱范围的宽窄。因为激光的发散角很小（由高方向性可知），发光的时间很短，而且光谱宽度很窄（由高单色性可知），使能量在时间、空间和频率上高度集中，因此有高亮度。4、高相干性因为光学谐振腔的存在，对辐射光进行放大，同时对光进行选择限制，将相位相差不是的整数倍、方向不是近轴方向的光损失掉，因此激光