激光基础（使用）

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1、激光的发展及现状激光的发展（光辐射理论的发展）LASER－Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation17世纪光的本性19世纪光的波动本性理论有进一步发展19世纪下半叶麦克斯韦方程组20世纪初出现黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学效应等11900普朗克提出：电磁辐射源体系能量量子化－黑体辐射定律1905爱因斯坦提出光子说1916爱因斯坦提出受激辐射的概念1930电磁辐射场与原子体系相互作用时可能发生三种过程1905微波技术产生21951Townes提出受激微波放大（Maser）1954氨

2、分子微波发射器（实现粒子数反转）1958Schawlow、Townes设计了激光器1960Ruby激光出光（休斯实验室Maiman、Lamb）He－NeLaser出光（贝尔实验室Javer）1961长春光机所RubyLaser1962He－NeLaser出光1964上光所成立3•InventedbyaStanfordEEandPhysicsgraduate•WorkingintheHughesResearchLabsMay17,1960:TedMaiman’srubylaser45678910普通光源-----自发辐射激光光源-----受激辐射激

3、光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)11一.特点：方向性极好（发散角～10-4弧度）脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源。时间相干性好（～10-8埃），相干长度可达几十公里。相干性极好亮度极高12按工作方式分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）三.波长：极紫外──可见光──亚毫米(100nm）（1.222mm）二.种类：固体（如红宝石Al2O3）液

4、体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓GaAs）按工作物质分13§1粒子数按能级的统计分布原子的激发由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：14若E2>E1，则两能级上的原子数目之比数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;15但要产生激光必须使原子激发;且N2>N1,称粒子数反转(populationinversion)。原子激发的几种基本方式：1．气体放电激发2．原子间碰撞激发3．光激发(光泵)视频视频16§2自发辐射受激

5、辐射和吸收一.自发辐射(spontaneousradiation)设N1、N2—单位体积中处于E1、E2能级的原子数。单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：E2E1N2N1h17写成等式Ａ21自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。18二．受激辐射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h设（、Ｔ）……温度为Ｔ时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。19单位体积中单位时间内，从E２E１受激辐射的原子数：写

6、成等式B21受激辐射系数20W21单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------有光的放大作用。令W21=B21·（、T）21三.吸收(absorption)E2E1N2N1h上述外耒光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：22写成等式B12吸收系数令W12=Ｂ12(、T)W12单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。23A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1９１７年从理论上得出爱因斯坦的受激辐

7、射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。没有实验家,理论家就会迷失方向。没有理论家,实验家就会迟疑不决。B21=B1224§3粒子数反转一.为何要粒子数反转(populationinversion)从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。25必须N2>N1（粒子数反转）。因B21=B12W21=W12产生激光必须26二．粒子数反转举例例.He一Ne气体激光器的粒子数反转He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。27亚稳态电子碰撞碰撞转移亚稳态28He-Ne激光管的工作

8、原理：由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大；在He的23S，21S这两个能级都是亚稳态，