第八篇第一講激光原理

1、 激光器是1960年誕生的一種新型光源。激光具有能量集中、方向性強、單色性好和相干性好的一系列優(yōu)點，因而在科技領域有廣泛的應用?？梢哉f，激光的產生與應用為光學的發(fā)展開創(chuàng)了一個新的紀元。 激光是受激輻射的光放大的簡稱，其英文全名為： “l(fā)ight amplification by stimulated emission of radiation”激光是第一個字母的縮寫“l(fā)aser” 。即激光是基于受激發(fā)射放大原理而產生的一種相干光輻射。 目前，常用的激光器按照增益介質的種類可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器、液體激光器四類。而按激光器的工作方式不同又可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器。在物質發(fā)

2、光和光吸收過程中在物質發(fā)光和光吸收過程中,主要涉及三種過程主要涉及三種過程:受激吸收受激吸收,自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射和受激輻射e2e1n2n1h 外來光有可能被吸收，使原子從外來光有可能被吸收，使原子從e1e2 .單位體積中單位時間內因吸收外單位體積中單位時間內因吸收外來光而從來光而從e1e2 的原子數(shù)：的原子數(shù)：11212nwdtdn 吸吸收收 設設 n1 、n2 單位體積中單位體積中處于處于e1 、e2 能級的原子數(shù)能級的原子數(shù) 單位體積單位時間內，從單位體積單位時間內，從e2 e1自發(fā)輻射的原子數(shù)自發(fā)輻射的原子數(shù)： e2e1n2n1h 處于高能級處于高能級e2的原子自發(fā)地向低能級的原

3、子自發(fā)地向低能級e1躍遷而放出光子躍遷而放出光子22121nadtdn 自自發(fā)發(fā)2ndtdn 自自發(fā)發(fā)21寫成等式寫成等式 e2e1n2n1全同光子全同光子h 處于高能級處于高能級e2的粒子在外來輻射的作用下的粒子在外來輻射的作用下,躍遷回低能躍遷回低能級級e1,同時發(fā)射一個與外來輻射相同頻率的光子同時發(fā)射一個與外來輻射相同頻率的光子.外來光頻率滿足外來光頻率滿足:hee12 單位體積中單位時間內，單位體積中單位時間內，從從e e受激輻射的原子數(shù)：受激輻射的原子數(shù)：221nwdtdn21 受激受激處于熱平衡下的粒子處于熱平衡下的粒子,滿足玻耳茲曼分布滿足玻耳茲曼分布ktennn e 若若 e2

4、 e 1，則兩能級上的原子數(shù)之比，則兩能級上的原子數(shù)之比: 1e1212 kteenn即能級越高即能級越高,粒子數(shù)越少粒子數(shù)越少. 數(shù)量級估計：數(shù)量級估計：t 103 k；kt1.3810-20 j 0.086 ev;e 2-e 11ev;10860112 5.10ee12kteenn21212dnwndt受 激12121dnwndt吸 收從從e2 e1 自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。也可能引起吸收過程。吸吸收收受受激激 dtdndtdn1221必須必須 n2 n1（ 粒子數(shù)反轉）。粒子數(shù)反轉）。根據(jù)愛因斯坦輻射公式可得根據(jù)愛因斯坦

5、輻射公式可得w21=w12產生激光必須產生激光必須 (2) 能源輸入系統(tǒng)能源輸入系統(tǒng)(稱為泵或抽運稱為泵或抽運)能不斷的將能量輸送給激活介質，將原子有低能級激能不斷的將能量輸送給激活介質，將原子有低能級激發(fā)到合適的高能級，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉發(fā)到合適的高能級，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(1) 能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的介質（激活介質）能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的介質（激活介質） 亞穩(wěn)態(tài)能級：大多數(shù)物質原子的激發(fā)態(tài)都是不穩(wěn)定亞穩(wěn)態(tài)能級：大多數(shù)物質原子的激發(fā)態(tài)都是不穩(wěn)定的，原子能夠在激發(fā)態(tài)停留的時間很短，稱之為能的，原子能夠在激發(fā)態(tài)停留的時間很短，稱之為能級壽命級壽命很短（很短（10-8s）。而亞穩(wěn)態(tài)能級的壽命可）。而亞穩(wěn)態(tài)

6、能級的壽命可達達ms甚至甚至s數(shù)量級。當粒子被激發(fā)后，能夠在亞穩(wěn)數(shù)量級。當粒子被激發(fā)后，能夠在亞穩(wěn)態(tài)能級停留較長時間，以便創(chuàng)造粒子數(shù)反轉分布的態(tài)能級停留較長時間，以便創(chuàng)造粒子數(shù)反轉分布的條件。條件。 三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng) e3與與e1構成一個寬吸收構成一個寬吸收帶帶,e3上的原子無輻射躍上的原子無輻射躍遷到遷到e2 , e2與與e1構成粒子構成粒子數(shù)反轉數(shù)反轉,三能級體系效率三能級體系效率不高不高. 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng) e3 e1壽命短壽命短, e2 是亞穩(wěn)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài),因此能容易實現(xiàn)因此能容易實現(xiàn)e2與與e1能能級的粒子數(shù)反轉級的粒子數(shù)反轉,四能級四能級體系效率高體系效率高激激勵勵抽抽運運e

7、1e2e3a21w12w21激激勵勵抽抽運運a21w12w21e1e2e3e0激勵能源激勵能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光(2).光學共振腔光學共振腔 (1).工作物質：能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產生光放大工作物質：能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產生光放大作用：作用：產生和維持光振蕩。產生和維持光振蕩。 控制光振蕩，使激光以特定的頻率輸出?？刂乒庹袷?，使激光以特定的頻率輸出。(3) 泵：為工作物質提供能量，使其實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉的裝置泵：為工作物質提供能量，使其實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉的裝置 方向性好方向性好 激光能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很激光能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為小

8、，一般為10-510-8球面度。球面度。 亮度高亮度高 光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時間內光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時間內沿單位立體角所發(fā)射的能量。例如，太陽表面的亮度比沿單位立體角所發(fā)射的能量。例如，太陽表面的亮度比蠟燭大蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。億倍。 單色性好單色性好 如如hene激光器發(fā)射的激光器發(fā)射的632.8nm的譜線寬度的譜線寬度僅為僅為10- 9nm?？捎米鞴忸l計時標準?？捎米鞴忸l計時標準。 相干性好普通光源（如鈉燈、汞燈等）其

9、相干長度只有相干性好普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個厘米，而激光的相干長度則可以達到幾十公里，比幾個厘米，而激光的相干長度則可以達到幾十公里，比普通光源大幾個數(shù)量級。普通光源大幾個數(shù)量級。 激光技術的應用涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科，主要分為以下幾類： 激光焊接激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有yag (釔鋁石榴石)激光器，co2激光器和半導體泵浦激光器。 激光切割激光切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以

10、下的電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有yag激光器和co2激光器。 激光打標激光打標：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應用，目前使用的激光器有yag激光器、co2激光器和半導體泵浦激光器。 激光熱處理激光熱處理：在汽車工業(yè)中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應用廣泛。 激光化學：激光化學：激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，比如利用不同波長的紫外精確地

11、打在分子的鍵上，比如利用不同波長的紫外激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上，分子身上， 觸發(fā)某種預期的反應。觸發(fā)某種預期的反應。 激光醫(yī)療：激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學上的應用分為兩大類：激光激光在醫(yī)學上的應用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。者則以激光作為能量載體。 激光武器：激光武器：激光測距儀是激光在軍事上應用的起點，激光測距儀是激光在軍事上應用的起點，將其應用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。將其應用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，由于激光發(fā)散角小，激光雷達相比于無線電雷達，由于激光發(fā)散角小，方向性好，因此其測量精度大幅度提高。由于同樣方向性好，因此其測量精度大幅度提高。由于同樣的原因，激光雷達不存在的原因，激光雷達不存在“盲區(qū)盲區(qū)”，因