光與物質(zhì)的相互作用激光.ppt

1、一. 光電效應(yīng),光電子,光電效應(yīng),實驗裝置,2 光的粒子性,飽和光電流強度 im 與入射光強 I 成正比,1. 實驗規(guī)律,這表示 單位時間內(nèi)從陰極發(fā)出的光電子數(shù)目與光強成正比,7,只有當入射光頻率 v 大于一定的頻率 v0 時,才會產(chǎn)生光電效應(yīng)。 0 稱為該金屬的截止頻率，或紅限頻率,8,V0 = K C,與入射光強無關(guān),光電子的最大初動能為,截止電壓,光電效應(yīng)是瞬時發(fā)生的，時間不超過109 s,2. 愛因斯坦的光子假說 對光電效應(yīng)的解釋,經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難,光波的能量分布在波面上，陰極中電子積累能量克服逸出功需要一段時間，光電效應(yīng)不能在瞬時發(fā)生,普朗克的量子假定 還不夠,它只涉及發(fā)射或吸

2、收時振子能量不連續(xù),未涉及在空間傳播的輻射場的能量,9,按照光的經(jīng)典電磁理論，光波的強度與頻率無關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無關(guān)，不應(yīng)存在截止頻率,電磁輻射的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量量子（光子）組成，每個光量子的能量為,愛因斯坦光量子假設(shè)(1905,= h,對光電效應(yīng)的解釋,顯然，當 h A 時，不發(fā)生光電效應(yīng),紅限頻率,光電效應(yīng)的意義,光量子具有“ 整體性”，在以光速運動時“ 不瓦解”，且只能整個地被吸收或發(fā)射,10,A 是陰極材料的脫出功,電子吸收一個光子能量 h ，從陰極逸出而成為光電子，其最大動能為,A. Einstein , 1921, Nobel Prize,在普朗克獲博

3、士學(xué)位五十周年紀念會上普朗克向愛因斯坦頒發(fā)普朗克獎?wù)?二. 光的波粒二象性 康普頓效應(yīng),1.光的波粒二象性,光的性質(zhì)-波粒二象性,在有些情況下，光突出顯示波動性,粒子不是經(jīng)典粒子, 波也不是經(jīng)典的波,基本關(guān)系式,粒子性：能量 ，動量 p,波動性：波長 ，頻率,而在另一些情況下，則突出顯示粒子性,11,整體性,彌散性，可疊加性,2. 康普頓效應(yīng),康普頓 (Compton)研究 X 射線在石墨上的散射,實驗規(guī)律,電子的 Compton波長,康普頓效應(yīng)的特點,12,康普頓的解釋,X 射線光子與“ 靜止”的“ 自由電子”彈性碰撞,碰撞過程能量守恒，動量守恒,解得波長偏移為,康普頓散射實驗的意義,康普頓

4、效應(yīng)驗證了光的量子性,經(jīng)典電磁理論的困難,13,e,A.H. Compton , 1927, Nobel Prize,激光 (laser)，也音譯為鐳射， 它的 意思是“ 輻射的受激發(fā)射的光放大” ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ，或者說， “ 受激輻射的光放大”,3 激光,1916，Einstein，關(guān)于受激輻射的理論。 4050年代，觀測到受激輻射。 1954，Townes 做成 微波激射器（maser）。 1960，Maiman 做成第一臺激光器（紅寶石）。 1960，1962，連續(xù)工作的 He -

5、Ne 氣體激光器。,14,一般性質(zhì),方向性極好（發(fā)散角10 -4弧度,脈沖瞬時功率大（可達10 14瓦 以上,空間相干性好，有的激光波面上 各個點都是相干光源,時間相干性好（10 - 8埃）， 相干長度可達幾十公里,相干性極好,亮度極高,特點,波長范圍：極遠紫外 可見光 亞毫米,100 n m ） （1.222 m m,X 激光,15,按工作方式分,連續(xù)式（功率可達104 W） 脈沖式（瞬時功率可達1014 W,種類,固體（如紅寶石Al2O3） 液體（如某些染料） 氣體（如 He-Ne，CO2） 半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAs）,按工作物質(zhì)分,一. 粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布 原子的激發(fā),由大量原子組

6、成的系統(tǒng)，在溫度不太低的 平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從 玻耳茲曼統(tǒng)計分布,16,若 E2 E 1，則兩能級上的原子數(shù)目之比,數(shù)量級估計,T 103 K,kT1.3810-20 J 0.086 eV,E 2-E 11 eV,17,要產(chǎn)生激光，必須使大量原子激發(fā)，在兩能級間形成 N2 N1, 這稱為粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn) (population inversion,原子激發(fā)的幾種基本方式,1.氣體放電激發(fā),2. 原子間碰撞激發(fā),3. 光激發(fā)(光泵浦),激光器中必須有激發(fā)裝置(能源)提供能量,二. 自發(fā)輻射 受激輻射 和受激吸收,1. 自發(fā)輻射 (spontaneous radiation,h,18,設(shè)

7、 N1 、N2 為單位體積中處于 E1 、E2 能級的原子數(shù)。單位體積中單位時間內(nèi)，從 E2 E1自發(fā)輻射的原子數(shù),21 自發(fā)輻射系數(shù)，一個原子在單位 時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率,各原子自發(fā)輻射的光是互相獨立的， 相位上隨機的，或者說是互不相干的,19,2受激輻射 (stimulated radiation,全同光子,設(shè) u（、）代表溫度為 時, 頻率 為 = (E2 - E1) / h 附近單位頻率間隔的 外來光的能量密度。單位體積中單位時間內(nèi)，從 E E受激輻射的原子數(shù),20,寫成等式,B21 受激輻射系數(shù),W21 一個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生 受激輻射過程的概率,則,受激輻射光與外來光的頻

8、率、相位、偏振方向及傳播方向均相同-有光的放大作用,令 W21 B21 u(、T,21,3 . 吸收 (absorption,h,上述外耒光也有可能被吸收，使原子從 E1E2,單位體積中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從 E1E2 的原子數(shù),寫成等式,B12 吸收系數(shù),令 W12 12 u ( 、T,22,A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數(shù),愛因斯坦在 1916 年從理論上得出 (下冊 p.300,p.301,愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ),沒有實驗家 , 理論家就會迷失方向,沒有理論家 , 實驗家就會遲疑不決,B21 = B12,W12 一個原子在 單位時間

9、內(nèi)發(fā)生 吸收過程的概率,23,三. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大,1. 為什么需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ,必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),因 B21=B12,W21=W12,要產(chǎn)生激光，必須,24,2實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實例,例： He一Ne 氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),He -Ne 激光器中，He 是輔助物質(zhì)，Ne 是 激活物質(zhì)，He與 Ne之比為51 101,Ne 原子某些能級之間可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),其原因在于合適的能級結(jié)構(gòu),25,電子碰撞,碰撞轉(zhuǎn)移,He, Ne原子部分能級圖,26,He-Ne激光管中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理,要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級的粒子數(shù)。,Ne 的 5S ，4S

10、 是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長；但下能級4P，3P (也是激發(fā)態(tài))的壽命很短。 假如設(shè)法使很多Ne原子處于5S或4S ,就可能 在5S4P，5S3P, 4S3P 形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),放電管做得比較細（毛細管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“ 無輻射躍遷”而回到基態(tài)，及時減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級4P與3P態(tài)的抽空,怎樣將大量Ne原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)5S和4S呢,27,因Ne的 5S 和 4S 與 He的 21S 和 23S 的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時很容易發(fā)生能量的“ 共振轉(zhuǎn)移”。在碰撞中 He 把能量傳遞給 Ne而回到基態(tài)，同時 Ne被激發(fā)

11、到 5S 或 4S,氣體放電，用電子碰撞來激發(fā)原子。但是Ne 原子被激發(fā)的概率很小，而He被激發(fā)(到23S和21S能級)的概率則大得多。He 的23S，21S這兩個能級都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；于是在He 的這兩個激發(fā)態(tài)上容易聚集較多的原子,Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標明了最強的三條: 0.6328 , 1.15 m , 3.39,它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)、 非基態(tài)之 間發(fā)生的，因此較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,28,四. 增益系數(shù),激光器內(nèi)受激輻射光來回傳播時， 并存著 增益 和 損耗,增益光的放大,損耗光的吸收、散射、衍射、透射（包括 一端的部分反射鏡處必要的激光輸出）等,在激光形成階段，

12、增益損耗,在穩(wěn)定工作階段，增益損耗,1激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時的凈增益,設(shè) x0處，光強為 I0,29,即單位長度上光強增加的比例(相對增長,一般G不是常數(shù)。 為了簡單，先近似認為G是常數(shù),x I,x + dx I + d I,有 d I Idx,寫成等式：d I = G I dx,定義：增益系數(shù) G (gain coefficient,得,30,2. 考慮激光在兩端反射鏡處的損耗,I0,全反射鏡,部分反射鏡,I1,I2,R1、R2 左、右兩端反射鏡的反射率,顯然有I 1 = R 2 I 0 eGL,R 1 R 2 I 0 e2GL,I 2 = R 1 I 1 eGL,在激光形成階段，要求 I2

13、 / I0 1,即 R1 R2 e2GL 1,或說,于是,31,式中Gm稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光的最小增益,在激光穩(wěn)定階段：光強增大到一定程度后,有 I2 / I0 = 1 ，即,通常稱為閾值條件,為什么光強不會無限放大下去？原因是實際的增益系數(shù)G不是常量。當 I 增大時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度會減弱，使G降低（負反饋） 。當增益系數(shù)G降到 GGm時，就穩(wěn)定下來,32,五. 光學(xué)諧振腔 縱模與橫模,optical harmonic oscillator,longitudinal mode and transverse mode,激光器有兩個反射鏡， 它們構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔,33,光學(xué)諧振腔的作用,1.

14、使激光具有極好的方向性（沿軸線,2.增強光放大作用（延長了工作物質(zhì),3.使激光具有極好的單色性（選頻,對于可能有多種躍遷的情況，可 以利用閾值條件來選出一種躍遷,選頻之一,例如，若希望氦氖激光器只輸出波長 為 0.6328 m 的激光，我們可以控制反射鏡的 R1、R2 ，使反射鏡只對這種波長反射率高，易滿足閾值條件。而另兩個波長的光(紅外)不能放大,34,例如，氦氖激光器，設(shè) Ne 原子的 0.6328 m 受激輻射光的譜線寬度為 , 如圖， 1.3109 Hz,對于單一的躍遷，還可以利用 選擇縱模間隔的方法，進一步 在譜線寬度內(nèi)再選頻,選頻之二,然而，利用諧振腔，實際上激光的譜線寬度可以小到

15、 10-8 。 這是為什么呢,35,光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是駐波的波節(jié)，所以腔長 L 必為半波長 2 的整數(shù)倍。換用真空中波長 = n , 得,k = 1, 2, 3,k真空中波長,n 諧振腔內(nèi)媒 質(zhì)的折射率,這就是諧振腔沿長度方向(縱向)的第 k 個簡正模式的波長。這些簡正模稱為縱模,36,可以存在的縱模頻率為,相鄰兩個縱模頻率的間隔為,數(shù)量級估計,1， n1.0 ， c 108 ms,氦氖激光器 0.6328 m 譜線寬度為,=13109 Hz,因此，在 區(qū)間中，可以存在的縱模個數(shù)為,37,用加大縱模頻率間隔k的方法,可以使 區(qū)間中只存在一個縱模頻率。 單模輸出,比如，若管長 L 縮短為

16、 10 c,即 L L/10,則 k10 k,在 區(qū)間中，可能存在的縱模個數(shù)為 =1,于是就獲得了譜線寬度非常窄的激光輸出， 極大地提高了實際0.6328 m 譜線的單色性,L=100 cm,L=10 cm,38,激光除了有縱模外， 還有橫向駐波模式,小結(jié)：激光器基本組成部分(產(chǎn)生激光的條件,激勵能源（提供能量，使原子激發(fā),工作物質(zhì)（有合適的能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),基橫模在激光光束的橫截面上各點的相位相同，空間相干性最好,光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性,39,六. 激光的特性及其應(yīng)用,1.光束方向性極好,以下特性是激光獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ),2.時間相干性(單色性)極好,3.空間相干性極好,4.光強度極大(短時，局域,5.超短脈沖，精細聚焦,以下的各種技術(shù)應(yīng)用或研究領(lǐng)域，主要利用激光的什么特性,準直，定位，測距，測速， 精密測厚、測角，加工,全息術(shù) ; 非線性光學(xué) ; 集成光學(xué),醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué) 中的應(yīng)用,光通訊，光纖通訊， 光盤信息存取,軍事上的應(yīng)用,40,例激光光纖通訊,由于光波的頻率比無線電波的頻率高好幾個數(shù)量級，一根極細的光纖能承載的信息量，相當于圖片中這么粗的電纜所能承載的信息量,一些例子,41,例2激光原子力 顯微鏡(AFM,用一根鎢探針或硅 探針在距試樣表面 幾毫微米的高度上 反復(fù)