第一章激光基礎原理

1、任課教師：夏珉任課教師：夏珉EMail：電話：電話先修科目先修科目 幾何光學幾何光學 物理光學物理光學 量子力學量子力學 參考書目參考書目 激光原理國防工業(yè)出版社激光原理國防工業(yè)出版社2000年版年版 周炳琨等編周炳琨等編 量子電子學科學技術出版社量子電子學科學技術出版社1983年版年版 Amnon Yariv，劉，劉頌豪等翻譯頌豪等翻譯 Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing Group, 1986 Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Pr

2、ess, 1998 1.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀激光的發(fā)展與現(xiàn)狀 1.2激光產(chǎn)生的機理激光產(chǎn)生的機理 1.3激光的特性激光的特性 1.4激光器實例激光器實例 提到激光時腦海中的第一印象？提到激光時腦海中的第一印象？ 什么是激光？什么是激光？ LASER： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光：激光： 受受激激輻射輻射光光放大放大 死光：葉永烈死光：葉永烈珊瑚島上的死光珊瑚島上的死光 鐳射：鐳射：LASER的音譯的音譯 史前時代史前時代 17世紀世紀對光的本性的探求：對光的本性的探求： 波動說：以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌舆^

3、程，惠更波動說：以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌舆^程，惠更斯、虎克；斯、虎克； 微粒說：以經(jīng)典方式運動著的微小粒子，牛頓；微粒說：以經(jīng)典方式運動著的微小粒子，牛頓； 19世紀：世紀： 光的波動本性有了進一步發(fā)展光的波動本性有了進一步發(fā)展 電磁場理論、麥克斯韋方程組電磁場理論、麥克斯韋方程組 19世紀下半葉發(fā)展起來的電磁場理論能夠世紀下半葉發(fā)展起來的電磁場理論能夠解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等現(xiàn)象；和雙折射等現(xiàn)象； 然而到了然而到了20世紀初，出現(xiàn)了黑體輻射、原世紀初，出現(xiàn)了黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應、光化學反應和康子線狀光譜、光電效應、光化學

4、反應和康普頓散射等實驗現(xiàn)象，這些涉及到光與物普頓散射等實驗現(xiàn)象，這些涉及到光與物質(zhì)相互作用時能量與動量交換特征的就無質(zhì)相互作用時能量與動量交換特征的就無法用當時的經(jīng)典理論來解釋。法用當時的經(jīng)典理論來解釋。 黎明前的黑暗黎明前的黑暗 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此獲得年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此獲得1918年諾貝爾物理學獎；年諾貝爾物理學獎； 1905年，愛因斯坦提出光子假說并成功解釋了光電效年，愛因斯坦提出光子假說并成功解釋了光電效應，并因此獲得應，并因此獲得1921年諾貝爾物理學獎；年諾貝爾物理學獎；in recognition of the services he

5、 rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quantafor his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect 1913年，玻爾借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的年，玻爾借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結構模型，并因此獲得原子結構模型，并因此獲得1922年諾貝爾物理學獎；年諾貝爾物理學獎； 1917年，愛因斯坦在玻爾的原理結構基礎上

6、，提出了年，愛因斯坦在玻爾的原理結構基礎上，提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎；受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎； 1928年，年，Landenburg證實了受激輻射和證實了受激輻射和“負吸收負吸收”的存在；的存在；for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them 1947年，年，Lamb和和Reherford在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實驗驗證。射，這

7、是受激輻射第一次被實驗驗證。Lamb由于在氫原子光譜由于在氫原子光譜研究方面的成績獲得研究方面的成績獲得1955年諾貝爾物理學獎；年諾貝爾物理學獎； 1950年，年，Kastler提出了光學泵浦的方法，兩年后該方法被實現(xiàn)。提出了光學泵浦的方法，兩年后該方法被實現(xiàn)。他因為提出了這種利用光學手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝他因為提出了這種利用光學手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎。爾獎。for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum for the discovery and developme

8、nt of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms 1951年年,Townes提出受激輻射微波放大，即提出受激輻射微波放大，即MASER的的概念。概念。 1954年，第一臺氨分子年，第一臺氨分子Maser建成，首次實現(xiàn)了粒子建成，首次實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉，其主要作用是放大無線電信號，以便研究宇數(shù)反轉，其主要作用是放大無線電信號，以便研究宇宙背景輻射。宙背景輻射。Townes由于在受激輻射放大方面的成就由于在受激輻射放大方面的成就獲得獲得1964年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。for fundamental work i

9、n the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle 突破突破 1958年年Schawlow和和Townes在在Phy. Rev. 上發(fā)表論文上發(fā)表論文“Infrared and Optical Maser”，標志著激光作為一，標志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺。種新事物登上了歷史舞臺。 1960年年5月，休斯實驗室的月，休斯實驗室的Maiman和和Lamb共同研制共同研制的紅

10、寶石激光器發(fā)出了的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公的紅色激光，這是公認的世界上第一臺激光器。認的世界上第一臺激光器。 1960年年中，年年中，IBM實驗室利用實驗室利用CaF2中的三價鈾制成了第一臺四能中的三價鈾制成了第一臺四能級固體激光器；級固體激光器； 1960年年12月，月，BELL實驗室的實驗室的Javan，Bennett和和Herriott制成了制成了第一臺氦氖氣體激光器；第一臺氦氖氣體激光器； 1962年，年，GaAs半導體激光器；半導體激光器； 1963年，液體激光器；年，液體激光器； 1964年，年，CO2激光器；激光器； 1964年，離子激光器；年，離子激光

11、器； 1964年，年，Nd：YAG固體激光器；固體激光器； 1965年，年，HCl化學激光器；化學激光器； 1966年，生物染料激光器；年，生物染料激光器； 從從1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念到年愛因斯坦提出受激輻射的概念到1960年第一臺激光器誕年第一臺激光器誕生，其間用了近半個世紀，而實際上卻沒有太多理論上的突破，生，其間用了近半個世紀，而實際上卻沒有太多理論上的突破，為什么激光器沒有早半個世紀誕生？為什么激光器沒有早半個世紀誕生？ 發(fā)展發(fā)展 更大更大 為了進行高能物理、熱為了進行高能物理、熱核聚變等方面的研究工核聚變等方面的研究工作，激光器產(chǎn)生的能量作，激光器產(chǎn)生的能量密度和功率不

12、斷提高。密度和功率不斷提高。 現(xiàn)在世界上功率最大的現(xiàn)在世界上功率最大的激光器是美國的國家點激光器是美國的國家點火工程（火工程（NIF）中使用的）中使用的NOVA激光系統(tǒng)，其峰激光系統(tǒng)，其峰值功率達到值功率達到1.3PW（1015W），該系統(tǒng)有），該系統(tǒng)有望在今年投入使用。望在今年投入使用。 NIS已經(jīng)于已經(jīng)于2009年點火成功，年點火成功，2010年報道的單脈年報道的單脈沖能量達到?jīng)_能量達到1MJ，峰值功率，峰值功率1015W以上。超過美以上。超過美國歷史上任意時刻消耗電功率的國歷史上任意時刻消耗電功率的500倍以上。倍以上。 目前，神光目前，神光-原型裝置原型裝置“十五十五”建設目標已圓滿建

13、設目標已圓滿完成，達到完成，達到“8束出光，脈沖束出光，脈沖-萬焦耳萬焦耳”的水平，的水平，標志著我國成為繼美、法后世界上第三個系統(tǒng)掌標志著我國成為繼美、法后世界上第三個系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅動器總體技術的國家，使握新一代高功率激光驅動器總體技術的國家，使我國成為繼美國之后世界上第二個具備獨立研究、我國成為繼美國之后世界上第二個具備獨立研究、建設新一代高功率激光驅動器能力的國家。建設新一代高功率激光驅動器能力的國家。 更小更小 各種工業(yè)指示、標記、探測各種工業(yè)指示、標記、探測用的半導體激光器或者半導用的半導體激光器或者半導體泵浦固體激光器向著小型體泵浦固體激光器向著小型化方向發(fā)展；化方向發(fā)

14、展；更集成更集成 各種通信用的各種通信用的激光模塊，往往激光模塊，往往包含十幾個甚至包含十幾個甚至幾十個半導體激幾十個半導體激光器，并且集成光器，并且集成了調(diào)制、功率檢了調(diào)制、功率檢測、溫度監(jiān)測等測、溫度監(jiān)測等功能模塊。功能模塊。 更快更快 更高的調(diào)制頻率：更高的調(diào)制頻率：GHz； 更短的脈沖寬度：飛秒激光器更短的脈沖寬度：飛秒激光器(FemtoSecond Laser)； 更多樣化更多樣化 多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學能泵浦、多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；熱泵浦等、磁泵浦； 多樣化的工作物質(zhì)：固體（多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體）、氣

15、體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導體、自由電）、液體、染料、半導體、自由電子等；子等； 經(jīng)典理論（經(jīng)典理論（Classical Laser Theory） 電磁場麥克斯韋方程組；原子電偶極振子電磁場麥克斯韋方程組；原子電偶極振子 半經(jīng)典理論（半經(jīng)典理論（Semiclassical Laser Theory） 電磁場麥克斯韋方程組；原子量子力學描述電磁場麥克斯韋方程組；原子量子力學描述 量子理論（量子理論（Quantum Laser Theory） 電磁場和原子電磁場和原子二者作為一個統(tǒng)一的物理體系作量二者作為一個統(tǒng)一的物理體系作量子化處理子化處理 速率方程理論（速率方程理論（Rate

16、Equation Theory） 量子理論的簡化形式，忽略光子的相位特性和光子數(shù)量子理論的簡化形式，忽略光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性的起伏特性 激光器的嚴格理論是建立在量子電動力學激光器的嚴格理論是建立在量子電動力學基礎上的量子理論，在原則上可以描述激基礎上的量子理論，在原則上可以描述激光器的全部特性；光器的全部特性； 不同近似程度的理論用來描述激光器的不不同近似程度的理論用來描述激光器的不同層次的特性，每種近似理論都揭示出激同層次的特性，每種近似理論都揭示出激光器的某些特性，因此可以根據(jù)具體應用光器的某些特性，因此可以根據(jù)具體應用選擇合適的近似理論；選擇合適的近似理論； 本課程主要用到的

17、理論是本課程主要用到的理論是經(jīng)典理論經(jīng)典理論和和速率速率方程方程。 從科幻到現(xiàn)實從科幻到現(xiàn)實 第一個描述激光的作品？第一個描述激光的作品？ 威爾斯在威爾斯在1898年的小說年的小說世界大戰(zhàn)世界大戰(zhàn)（火星人入（火星人入侵）：侵）：“由某種方式在非傳導的小室中產(chǎn)生酷熱，由某種方式在非傳導的小室中產(chǎn)生酷熱，用拋物鏡將其變成平行光，射向目標，這些射線不用拋物鏡將其變成平行光，射向目標，這些射線不是可見光，而是某種熱是可見光，而是某種熱” CO2激光器，由激光器，由CO2作為工作物質(zhì)，通過放電激發(fā)作為工作物質(zhì)，通過放電激發(fā)產(chǎn)生產(chǎn)生10.6um的紅外激光，肉眼不可見，其輸出方式的紅外激光，肉眼不可見，其輸

18、出方式多為拋物鏡構成的反射望遠鏡系統(tǒng)；多為拋物鏡構成的反射望遠鏡系統(tǒng)； 火星大氣充滿火星大氣充滿CO2，并且有強烈的大氣放電（閃，并且有強烈的大氣放電（閃電），因此可能存在天然的激光；電），因此可能存在天然的激光； 激光的實際應用激光的實際應用 工業(yè)應用：工業(yè)應用： 切割：速度快、無接觸、精度高、切縫光滑；切割：速度快、無接觸、精度高、切縫光滑； 焊接：焊接點均勻、美觀、精度高；焊接：焊接點均勻、美觀、精度高； 表面處理；表面處理； 芯片刻蝕等。芯片刻蝕等。 醫(yī)療：醫(yī)療： 最早的激光醫(yī)療應用：最早的激光醫(yī)療應用：1961年年12月在哥倫比亞長老會醫(yī)院用月在哥倫比亞長老會醫(yī)院用紅寶石激光器進行了

19、視網(wǎng)膜腫瘤治療；紅寶石激光器進行了視網(wǎng)膜腫瘤治療； 腫瘤治療；腫瘤治療； 眼科手術：視網(wǎng)膜焊接、近視治療；眼科手術：視網(wǎng)膜焊接、近視治療； 美容；美容； 外科手術等。外科手術等。 科研：科研： 全息成像、非線性光學等需要高相干性、大功率光源的項目；全息成像、非線性光學等需要高相干性、大功率光源的項目； 可控核聚變；可控核聚變； 光鑷、冷凍原子光鑷、冷凍原子確定地月距離確定地月距離登月是登月是20世紀最大的騙局？世紀最大的騙局？阿波羅阿波羅15號在登月時帶上了號在登月時帶上了一套特別設備一套特別設備大型角反射大型角反射器，用來反射從地球發(fā)射過來器，用來反射從地球發(fā)射過來的激光光束，通過記錄往返時

20、的激光光束，通過記錄往返時間來計算地月距離。間來計算地月距離。激光發(fā)散角很小，其光斑半激光發(fā)散角很小，其光斑半徑在月面上小于徑在月面上小于1km，而普通，而普通探照燈的光斑在月面上會大于探照燈的光斑在月面上會大于月球的直徑。月球的直徑。 軍事軍事 激光測距激光測距 直接摧毀直接摧毀 激光制導激光制導 其他其他 條碼掃描條碼掃描 照明、成像照明、成像 通訊通訊 娛樂娛樂 1.2.1黑體輻射與普朗克公式黑體輻射與普朗克公式 黑體：一個物體能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，黑體：一個物體能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，則稱此物體為則稱此物體為絕對黑體絕對黑體或黑體。自然界中不存在絕對或黑體。自然界中不

21、存在絕對黑體，而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。黑體，而如圖所示的空腔輻射體是黑體的理想近似。 黑體輻射：當黑體處于某一恒定溫度的熱平衡狀態(tài)，黑體輻射：當黑體處于某一恒定溫度的熱平衡狀態(tài)，它吸收的電磁輻射和發(fā)射的電磁輻射它吸收的電磁輻射和發(fā)射的電磁輻射 完全相等，即處于能量平衡狀態(tài)，這完全相等，即處于能量平衡狀態(tài)，這 將導致空腔內(nèi)存在完全將導致空腔內(nèi)存在完全確定確定的輻射場。的輻射場。 這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。 普朗克公式：普朗克公式： 黑體輻射是黑體溫度黑體輻射是黑體溫度T和輻射場頻率和輻射場頻率 的函數(shù)，并的函數(shù)，并可以用單色能量密度可以用

22、單色能量密度 描述，描述， 表示單位體積內(nèi)，表示單位體積內(nèi)，頻率處于頻率處于 附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量，附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量，其量綱為其量綱為 。 為了解釋實驗測得的為了解釋實驗測得的 分布規(guī)律，普朗克提出分布規(guī)律，普朗克提出了量子化假設，并得到了普朗克公式：在溫度了量子化假設，并得到了普朗克公式：在溫度T T的熱的熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射平均地分配到腔內(nèi)處于頻率平衡狀態(tài)下，黑體輻射平均地分配到腔內(nèi)處于頻率 附近的所有模式上的平均能量為：附近的所有模式上的平均能量為：3/msJ),(T/1hKThEe 而腔內(nèi)單位體積中，頻率處于而腔內(nèi)單位體積中，頻率處于 附近單位頻率間隔

23、附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁場模式數(shù)：內(nèi)的電磁場模式數(shù)： 所以可以得到黑體輻射的普朗克公式：所以可以得到黑體輻射的普朗克公式： 其中其中K為波爾茲曼常數(shù)：為波爾茲曼常數(shù)：328cVdPn118/33KThechTJK/1038062. 123 1.2.2受激輻射與自發(fā)輻射受激輻射與自發(fā)輻射 自發(fā)輻射（自發(fā)輻射（Spontaneous emission） 處于高能級處于高能級E2的原子自發(fā)的向的原子自發(fā)的向較低能級較低能級E1躍遷，并發(fā)射一個能躍遷，并發(fā)射一個能量為量為 的光子，這種過程稱為自發(fā)輻射。的光子，這種過程稱為自發(fā)輻射。 自發(fā)輻射特點：各個原子所發(fā)的光向空間各個方向傳播，是非自發(fā)輻射特點：

24、各個原子所發(fā)的光向空間各個方向傳播，是非相干光。相干光。 假設系統(tǒng)中高能級原子數(shù)為假設系統(tǒng)中高能級原子數(shù)為n2，低能級原子數(shù)為，低能級原子數(shù)為n1，則單位時，則單位時間內(nèi)從高能級向低能級發(fā)生躍遷的原子數(shù)間內(nèi)從高能級向低能級發(fā)生躍遷的原子數(shù)dn21為：為： 其中其中A21為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)，定義為單位時間內(nèi)為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)，定義為單位時間內(nèi)n2個高個高能級原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與能級原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)與n2的比值，其物理意義是的比值，其物理意義是每一個處于高能級的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的每一個處于高能級的原子發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率幾率。12hEE21212dnA n dt 按照定義：

25、按照定義： 從上式可以解出：從上式可以解出： 自發(fā)輻射的平均壽命自發(fā)輻射的平均壽命 定義為原子數(shù)密度由起始值定義為原子數(shù)密度由起始值降至它的降至它的1/e的時間，則高能級原子數(shù)隨時間變化可的時間，則高能級原子數(shù)隨時間變化可表示為：表示為： 通過比較可以得到：通過比較可以得到： ，即自發(fā)輻射系數(shù)，即自發(fā)輻射系數(shù)為高能級原子平均壽命的倒數(shù)，是由原子本身的性為高能級原子平均壽命的倒數(shù)，是由原子本身的性質(zhì)決定的，不受外部輻射場的影響。質(zhì)決定的，不受外部輻射場的影響。212212211spdndnAdtndt n 21220( )A tn tn e/220( )tn tn e211/A 如何確定自發(fā)輻射

26、系數(shù)？如何確定自發(fā)輻射系數(shù)？ 生活中的自發(fā)輻射？生活中的自發(fā)輻射？紅寶石晶體自發(fā)輻射平均壽命測量裝置測量得到的原子自發(fā)輻射能量衰減曲線 受激吸收（受激吸收（Stimulated Absorption） 如果黑體原子和外加電磁場之間的相互作用如果黑體原子和外加電磁場之間的相互作用只有自發(fā)輻射這一種，是無法維持腔內(nèi)的穩(wěn)定只有自發(fā)輻射這一種，是無法維持腔內(nèi)的穩(wěn)定電磁場的，因此愛因斯坦預言，黑體原子必然電磁場的，因此愛因斯坦預言，黑體原子必然存在著一種受外加電磁場激發(fā)而從低能級向高存在著一種受外加電磁場激發(fā)而從低能級向高能級躍遷的過程。能級躍遷的過程。 處于低能級處于低能級E1的一個原子，在頻率為的一

27、個原子，在頻率為 的輻射場作用（激勵）下，的輻射場作用（激勵）下，受激地向受激地向E2能級躍遷并吸收一個能量為能級躍遷并吸收一個能量為 的光子，這一過程稱為受的光子，這一過程稱為受激吸收，用受激吸收躍遷幾率激吸收，用受激吸收躍遷幾率 描述：描述： 受激躍遷與自發(fā)躍遷不同，其躍遷幾率不僅與原子性質(zhì)有關，而且與受激躍遷與自發(fā)躍遷不同，其躍遷幾率不僅與原子性質(zhì)有關，而且與外加電磁場外加電磁場 成正比，因此唯象的將其表示為：成正比，因此唯象的將其表示為： 其中其中B12稱為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，它只與原子性質(zhì)相關。稱為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，它只與原子性質(zhì)相關。h12W121211stdnWdt

28、n1212WB 受激輻射（受激輻射（Stimulated Emission） 與受激吸收躍遷類似，黑體原子同外與受激吸收躍遷類似，黑體原子同外加電磁場之間還存在另一種受激相互作加電磁場之間還存在另一種受激相互作用，一個處于高能級用，一個處于高能級E2的原子在頻率為的原子在頻率為 的電磁場作用下，受激地躍遷到的電磁場作用下，受激地躍遷到E1能級，并放出一個能量為能級，并放出一個能量為 的光子，的光子，該過程被稱為受激輻射躍遷。該過程被稱為受激輻射躍遷。 可以用受激輻射躍遷幾率可以用受激輻射躍遷幾率W21來描述受激輻射過程中高能級原來描述受激輻射過程中高能級原子數(shù)變化的規(guī)律：子數(shù)變化的規(guī)律： 受激

29、輻射躍遷機率同樣與外加電磁場和原子特性相關：受激輻射躍遷機率同樣與外加電磁場和原子特性相關：h212121stdnWdtn2121WB 1.2.3躍遷幾率之間的相互關系躍遷幾率之間的相互關系 當黑體處于確定的溫度當黑體處于確定的溫度T的熱平衡狀態(tài)時，具有以下三的熱平衡狀態(tài)時，具有以下三個特點：個特點： 腔內(nèi)存在著由普朗克公式描述的熱平衡黑體輻射；腔內(nèi)存在著由普朗克公式描述的熱平衡黑體輻射； 腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按照能級的分布服從熱平衡狀態(tài)下的波爾茲曼腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按照能級的分布服從熱平衡狀態(tài)下的波爾茲曼分布：分布：g1、g2為能級為能級E1、E2的統(tǒng)計權重；的統(tǒng)計權重； 腔內(nèi)處于腔內(nèi)處于E2（或（或

30、E1）能級的原子數(shù)應保持不變：）能級的原子數(shù)應保持不變：212211eeKTngeng212112ststspdndndndtdtdt 由特點由特點3得到：得到： 將普朗克公式和波爾茲曼分布帶入上式有：將普朗克公式和波爾茲曼分布帶入上式有： 令令 ，可以求出愛因斯坦，可以求出愛因斯坦系數(shù)之間的相互關系：系數(shù)之間的相互關系： 特別的，當特別的，當g1=g2時，時，B12=B21212212121A nBnBn121212121211BB nAB n213/32211811hKTeeKThcengeng 321121321212118hhKTKTcBB geehAB g 121212B gB gT

31、 321321118hhKTKTcBeehA 3213218BcAh 1.2.4受激輻射的相干性受激輻射的相干性 自發(fā)輻射和受激輻射的區(qū)別是什么？自發(fā)輻射和受激輻射的區(qū)別是什么？ 自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、偏振方向等特性上是無規(guī)則的，自發(fā)輻射發(fā)出的光子在相位、傳輸方向、偏振方向等特性上是無規(guī)則的，即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有的電磁場模式上；即平均分配在腔內(nèi)可能穩(wěn)定存在的所有的電磁場模式上； 受激輻射則是受到外加電磁場激發(fā)而產(chǎn)生的過程，由量子電動力學可以受激輻射則是受到外加電磁場激發(fā)而產(chǎn)生的過程，由量子電動力學可以嚴格證明受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，即具有相同的頻率、嚴

32、格證明受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，即具有相同的頻率、相位、波矢和偏振等特性。相位、波矢和偏振等特性。 按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡諧振動的電偶極子，自發(fā)躍遷是原子按照經(jīng)典原子模型，將原子看作簡諧振動的電偶極子，自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個原子的自發(fā)躍遷互相之間沒有關聯(lián)；中電子的自發(fā)阻尼振蕩，因此每個原子的自發(fā)躍遷互相之間沒有關聯(lián)；而受激輻射可以看作電子在外加光場作用下做受迫振動，其振蕩頻率、而受激輻射可以看作電子在外加光場作用下做受迫振動，其振蕩頻率、相位、方向等與外加光場一致。相位、方向等與外加光場一致。 大量原子在同一輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射光子處于同一光子態(tài)

33、，因大量原子在同一輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射光子處于同一光子態(tài)，因而是相干的。而是相干的。1.2.5光的受激輻射放大光的受激輻射放大 光放大的基本原理：利用受激輻射；光放大的基本原理：利用受激輻射； 由于在原子與外加光場相互作用時同時存在受激輻射和受激吸收兩種作由于在原子與外加光場相互作用時同時存在受激輻射和受激吸收兩種作用，想要實現(xiàn)光放大，必須要滿足關系：用，想要實現(xiàn)光放大，必須要滿足關系： 由愛因斯坦系數(shù)相互關系及波爾茲曼分布得到光放大的條件：由愛因斯坦系數(shù)相互關系及波爾茲曼分布得到光放大的條件： “不可能不可能”的前提是原子數(shù)按照能級的分布服從波爾茲曼分布，那么要的前提是原子數(shù)按照能級的

34、分布服從波爾茲曼分布，那么要實現(xiàn)光放大，必須使原子數(shù)按能級的分布打破波爾茲曼分布，即使得高實現(xiàn)光放大，必須使原子數(shù)按能級的分布打破波爾茲曼分布，即使得高能級原子數(shù)大于低能級原子數(shù)，使物質(zhì)處于能級原子數(shù)大于低能級原子數(shù)，使物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉狀態(tài)，或者稱為狀態(tài)，或者稱為負絕對溫度狀態(tài)。負絕對溫度狀態(tài)。21ststdndndtdt212121BnBn2121211B nB n2121212211hKTB gB gngeng1hKTe要滿足該條件，只有要滿足該條件，只有Ta；( )1( )dI zdzI z ( ) ( ) ( )dI zG II z dz損耗大于增益增益大于損耗 入射光能夠

35、被無限放大嗎？入射光能夠被無限放大嗎？ 假設一個微弱光假設一個微弱光I0入射到一段增益介入射到一段增益介質(zhì)中，其初始增益系數(shù)為質(zhì)中，其初始增益系數(shù)為G0，G0a，此時光強隨著傳輸距離增加而不斷增此時光強隨著傳輸距離增加而不斷增強：強： 但隨著光強的不斷增加，增益介質(zhì)中但隨著光強的不斷增加，增益介質(zhì)中的高能級粒子不斷的由于受激輻射而的高能級粒子不斷的由于受激輻射而躍遷到低能級，增益介質(zhì)的增益系數(shù)躍遷到低能級，增益介質(zhì)的增益系數(shù)不斷減小，直到減小到不斷減小，直到減小到 時，時，光強將不再隨傳輸距離的變化而變化，光強將不再隨傳輸距離的變化而變化，此時的光強稱為飽和光強此時的光強稱為飽和光強Im。0(

36、)0( )GzI zI e( )G z 從上面的討論可以知道，只要增益介質(zhì)足夠長，無論多微弱的入從上面的討論可以知道，只要增益介質(zhì)足夠長，無論多微弱的入射光，都可以被放大為飽和光強射光，都可以被放大為飽和光強Im。 至此我們具備了產(chǎn)生激光的一個必要條件：能夠對特定頻率的微至此我們具備了產(chǎn)生激光的一個必要條件：能夠對特定頻率的微弱入射光進行受激放大，新的問題是：弱入射光進行受激放大，新的問題是：入射光從何而來？入射光從何而來？ 解決之道解決之道自發(fā)輻射。自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會產(chǎn)生微弱的、頻率為自發(fā)輻射會產(chǎn)生微弱的、頻率為 的熒光，可以的熒光，可以作為受激輻射的入射光。作為受激輻射的入射光。 要產(chǎn)生

37、我們需要的高強度、方向性好的激光，還有兩個問題要解要產(chǎn)生我們需要的高強度、方向性好的激光，還有兩個問題要解決：決： 要獲得最大的放大效果，需要近似無窮長度的增益介質(zhì)，然而這要獲得最大的放大效果，需要近似無窮長度的增益介質(zhì)，然而這在工程上不可實現(xiàn)的，如何盡可能的增加增益物質(zhì)的長度？在工程上不可實現(xiàn)的，如何盡可能的增加增益物質(zhì)的長度？ 自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子的前進方向是隨機的，如果直接對其進行受自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子的前進方向是隨機的，如果直接對其進行受激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機的，如何選擇特定方激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機的，如何選擇特定方向的光來進行放大得到方向性很好的激光？向的

38、光來進行放大得到方向性很好的激光？21()/EEh 在激光的實際應用中，利用各種不同結構在激光的實際應用中，利用各種不同結構的光學諧振腔來解決上述兩個問題。的光學諧振腔來解決上述兩個問題。 結構最簡單的光學諧振腔是在工作物質(zhì)兩結構最簡單的光學諧振腔是在工作物質(zhì)兩端放置兩塊平行的平面鏡而構成的平行平端放置兩塊平行的平面鏡而構成的平行平面腔，通過讓需要放大的光在兩塊平面鏡面腔，通過讓需要放大的光在兩塊平面鏡之間反射，實現(xiàn)了近似于無限長的增益介之間反射，實現(xiàn)了近似于無限長的增益介質(zhì)；質(zhì)； 通過限制平面鏡的尺度，使得自發(fā)輻射產(chǎn)通過限制平面鏡的尺度，使得自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱光在諧振腔內(nèi)反射的過程中，只生的

39、微弱光在諧振腔內(nèi)反射的過程中，只有靠近平面鏡中心而且方向垂直于平面鏡有靠近平面鏡中心而且方向垂直于平面鏡的那部分光才能在其中多次反射，得到足的那部分光才能在其中多次反射，得到足夠多次的放大而形成激光，其它方向的光夠多次的放大而形成激光，其它方向的光則迅速溢出諧振腔外，無法形成正反饋過則迅速溢出諧振腔外，無法形成正反饋過程。通過這種方式實現(xiàn)了對激光方向性的程。通過這種方式實現(xiàn)了對激光方向性的選擇。選擇。M1M2 光學諧振腔的作用光學諧振腔的作用提供正反饋提供正反饋控制激光模式控制激光模式 光學諧振腔的作用很重要，但并不是不可或光學諧振腔的作用很重要，但并不是不可或缺的，在某些高增益工作物質(zhì)構成的

40、激光器中，缺的，在某些高增益工作物質(zhì)構成的激光器中，不需要諧振腔就能夠形成自激振蕩，只是相干性不需要諧振腔就能夠形成自激振蕩，只是相干性較差。較差。 1.3.1光子基本特性光子基本特性 能量：能量： 動量：動量： 質(zhì)量：質(zhì)量： 光子沒有靜止質(zhì)量光子沒有靜止質(zhì)量 偏振態(tài)：光子有兩個可能的獨立偏振狀態(tài)，對偏振態(tài)：光子有兩個可能的獨立偏振狀態(tài)，對應于光波的兩個獨立偏振方向；應于光波的兩個獨立偏振方向； 自旋：光子具有自旋，其自旋量子數(shù)為整數(shù)，自旋：光子具有自旋，其自旋量子數(shù)為整數(shù)，光子屬于光子屬于玻色子玻色子，服從玻色愛因斯坦分布，即，服從玻色愛因斯坦分布，即處于同一量子態(tài)的處于同一量子態(tài)的全同粒子

41、全同粒子數(shù)目沒有限制。數(shù)目沒有限制。SJhh 3410624. 6;02;2;nkhkp22chcm 任意電磁場可以看作是一系列單色平面電磁波的任意電磁場可以看作是一系列單色平面電磁波的線性疊加，這些單色平面電磁波用波矢線性疊加，這些單色平面電磁波用波矢 來標識；來標識；也可以將任意電磁場視為一系列與單色平面電磁也可以將任意電磁場視為一系列與單色平面電磁波等效的電磁波本征模式的線性疊加；波等效的電磁波本征模式的線性疊加； 本征模式的能量、動量具有量子化特性，即能量本征模式的能量、動量具有量子化特性，即能量為基本能量為基本能量 的整數(shù)倍的整數(shù)倍 ，動量為基本動，動量為基本動量量 的整數(shù)倍的整數(shù)倍

42、 。 具有基本能量具有基本能量 和基本動量和基本動量 的物質(zhì)單元的物質(zhì)單元稱為屬于第稱為屬于第 個本征模式的光子。個本征模式的光子。lklhlnhlklknlhlkl1.3.2光波模式與光子相格光波模式與光子相格在有邊界條件限制的空間在有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨立內(nèi)，只能存在一系列獨立存在的、具有特定波矢的單色平面駐波，能夠穩(wěn)定存在的、具有特定波矢的單色平面駐波，能夠穩(wěn)定存在于腔內(nèi)的駐波稱為光波模式。存在于腔內(nèi)的駐波稱為光波模式?？紤]如圖所示的金屬空腔，任何能夠存在的駐波應考慮如圖所示的金屬空腔，任何能夠存在的駐波應該滿足以下條件：該滿足以下條件：其中其中m、n、l為正整數(shù)，由

43、波矢的表達式為正整數(shù)，由波矢的表達式 可以得到波矢的三個分量：可以得到波矢的三個分量：每組不同的每組不同的m、n、l標識了不同的模式，如果在由標識了不同的模式，如果在由kx、ky、kz構成的空間中表示不同的模式，其結果如右圖，構成的空間中表示不同的模式，其結果如右圖，每個不同的模式分別占據(jù)圖中的一個方格?？梢郧竺總€不同的模式分別占據(jù)圖中的一個方格?？梢郧蟪鲈谠摽臻g中一個模式占據(jù)的體積為：出在該空間中一個模式占據(jù)的體積為：2,2,2lznymxnk2lzknykmxkzyx,Vzyxkkkzyx33波矢在波矢在 范圍內(nèi)的波矢空間體積為：范圍內(nèi)的波矢空間體積為：則在該空間內(nèi)所包含的光波模式數(shù)為：則

44、在該空間內(nèi)所包含的光波模式數(shù)為：由波矢的定義有：由波矢的定義有：可以得到在體積為可以得到在體積為V的腔內(nèi)，頻率的腔內(nèi)，頻率 附近附近 間隔內(nèi)的模式數(shù)間隔內(nèi)的模式數(shù)P為：為：因此單位體積內(nèi)，頻率因此單位體積內(nèi)，頻率 附近，單位頻率間隔的模式數(shù)為：附近，單位頻率間隔的模式數(shù)為：kdkk,kdk2481VkdkP32/4812dckdck2;22d238PVdc328cn 光子狀態(tài)與相格光子狀態(tài)與相格 在輻射場中的光子可以用動量、位置和偏振態(tài)來對其在輻射場中的光子可以用動量、位置和偏振態(tài)來對其加以區(qū)別；加以區(qū)別； 宏觀上質(zhì)點的運動狀態(tài)可以用位置（宏觀上質(zhì)點的運動狀態(tài)可以用位置（x,y,z）和動量）和

45、動量（Px,Py,Pz）來完全確定，一種運動狀態(tài)對應相空間）來完全確定，一種運動狀態(tài)對應相空間（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一個點；）中的一個點； 微觀上的粒子運動滿足測不準原理：微觀上的粒子運動滿足測不準原理： 在相空間中，一個光子態(tài)不再對應一個點，而是一個在相空間中，一個光子態(tài)不再對應一個點，而是一個體積元，稱為相格，其在相空間中的體積為：體積元，稱為相格，其在相空間中的體積為：hPzhPyhPxzyx,3hPPPzyxzyx 在波矢空間中一個光波模式占據(jù)的體積是：在波矢空間中一個光波模式占據(jù)的體積是： 由于腔內(nèi)穩(wěn)定存在的光波模都是由兩列相向傳播由于腔內(nèi)穩(wěn)定存在的光波模都是由兩列相向

46、傳播的行波構成的，因此每個模式的動量可以寫成：的行波構成的，因此每個模式的動量可以寫成： 將以上結果代入將以上結果代入(1)式，可得到：式，可得到： 即一個光波模在相空間中也占有一個相格，一個即一個光波模在相空間中也占有一個相格，一個光波模等效于一個光子態(tài)。光波模等效于一個光子態(tài)。33(1)xyzkkkx y zV 2,2,2xxyyzzPkPkPk33338xyzxyzxyzPPPPPPkkkhx y z 3hPPPzyxzyx 1.3.3相干性相干性 光源的相干體積光源的相干體積 考慮頻率寬度為考慮頻率寬度為 的沿的沿z方向傳播的準單色平面波，由雙縫干涉理方向傳播的準單色平面波，由雙縫干涉

47、理論可知光源的相干面積論可知光源的相干面積 ： 光波的相干長度為其波列長度：光波的相干長度為其波列長度： 則光源相干體積為：則光源相干體積為： 其物理意義為：如要求傳播方向限于其物理意義為：如要求傳播方向限于 之內(nèi)并具有頻率寬度之內(nèi)并具有頻率寬度 的光波相干，則光源應局限在空間體積的光波相干，則光源應局限在空間體積Vc內(nèi)。內(nèi)。22)(x2)( xcLc22321ccVc 光子的相干性光子的相干性 光子動量在光子動量在(x,y,z)方向的分量分別為：方向的分量分別為： 根據(jù)前述的光子態(tài)在相空間的體積為根據(jù)前述的光子態(tài)在相空間的體積為 可得：可得： 上式表明相格的空間體積等于相干體積，如果光子屬于

48、同一光子上式表明相格的空間體積等于相干體積，如果光子屬于同一光子態(tài)，則它們應該包含在相干體積之內(nèi)，即同一光子態(tài)的光子是相態(tài)，則它們應該包含在相干體積之內(nèi)，即同一光子態(tài)的光子是相干的。干的。chPPchPPPzyx3hPPPzyxzyxCSzyxVcPPPhzyx2233)( 光子態(tài)與光波模式是電磁場運動狀態(tài)描述光子態(tài)與光波模式是電磁場運動狀態(tài)描述的兩種等效提法，是兩種等效的物理概念；的兩種等效提法，是兩種等效的物理概念； 相格的空間體積以及一個光波模式或光子相格的空間體積以及一個光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積；態(tài)占有的空間體積都等于相干體積； 屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是

49、屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，而不同狀態(tài)的光子或不同模式的相干的，而不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。光波是不相干的。 1.3.4 激光的特性激光的特性 1、激光的空間相干性與方向性、激光的空間相干性與方向性 方向性越好、空間相干性程度越高方向性越好、空間相干性程度越高 方向性（發(fā)散角）受衍射極限的限制方向性（發(fā)散角）受衍射極限的限制 2、激光的時間相干性與單色性、激光的時間相干性與單色性 單色性越好、相干時間越長單色性越好、相干時間越長 3、激光的高強度、激光的高強度 光子簡并度光子簡并度處于同一模式中的光子數(shù)目處于同一模式中的光子數(shù)目 激光器可以產(chǎn)生很高的單模功率，即

50、高光子簡并度激光器可以產(chǎn)生很高的單模功率，即高光子簡并度a21c 固體激光器：紅寶石、Nd:YAG 氣體激光器：原子、分子、離子 液體激光器：染料激光器 新型激光器：光纖激光器、半導體激光器、自由電子激光器、化學激光器固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構成的。右圖是長脈沖固體激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。 2.紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(Al2O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3) ，它屬于三能級系統(tǒng)。3.摻釹釔鋁石榴石(

51、Nd3：YAG)工作物質(zhì):將一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化結晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子(Nd3)，它屬于四能級系統(tǒng)。 紅寶石中鉻離子的能級結構 Nd3:YAG 的能級結構固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光器的泵浦系統(tǒng) 固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。泵浦光源應當滿足兩個源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。泵浦光源應當滿足兩個基本條件。基本條件。 常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加常用的泵浦

52、燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。必須采用聚光腔。 右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓。內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓。 固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等，其中以液冷最為普遍。冷卻

53、等，其中以液冷最為普遍。 泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。浦光中的紫外光譜。 固體激光器的基本特性固體激光器的基本特性 能量轉換效率低，要經(jīng)過電、光、原子、激光能量轉換效率低，要經(jīng)過電、光、原子、激光的途徑來形成受激輻射放大；的途徑來形成受激輻射放大； 運行方式有連續(xù)、脈沖、調(diào)運行方式有連續(xù)、脈沖、調(diào)Q、放大、調(diào)制等；、放大、調(diào)制等； 輸出光譜有數(shù)千條，覆蓋了可見光、近紅外光、輸出光譜有數(shù)千條，覆蓋了可見光、近紅外光、紫外（利用晶體實現(xiàn)倍頻）紫外（利用晶體實現(xiàn)倍頻） ； 輸出峰值功率極高（鎖模）輸出峰值功率極高（鎖模）-太瓦、飛秒；

54、太瓦、飛秒；Quantel Frequency-Doubled Nd-YAG單脈沖能量：單脈沖能量：500mJ脈沖寬度：脈沖寬度：5ns峰值功率：峰值功率：108W=0.1GW重復頻率：重復頻率：10Hz平均功率：平均功率：5W 氣體激光器的分類氣體激光器的分類 原子原子-產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，所采用的氣體主產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是要是 氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體，有時也采用氯、溴、碘、氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體，有時也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子氣體，或銫、鎘、銅、錳、錫等金屬原子氮、硫、碳、氧等原子氣體，或銫、鎘、銅、錳、錫等金屬原子

55、蒸氣。蒸氣。 分子（準分子）分子（準分子）-產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，所采產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，所采用的分子氣體有：用的分子氣體有： CO、N2、 O2、 CO2、N2O和水蒸氣等；準分和水蒸氣等；準分子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當受到激發(fā)時，可暫時形子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當受到激發(fā)時，可暫時形成壽命很短的分子，稱為準分子，這種分子也能產(chǎn)生激光。常采成壽命很短的分子，稱為準分子，這種分子也能產(chǎn)生激光。常采用的準分子有：用的準分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。等。 離子離子-利用電離后

56、的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣體離利用電離后的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣體離子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氬離子子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦和氦-鎘鎘(He-Cd)離子激光器離子激光器 氣體激光器的工作原理氣體激光器的工作原理 電激勵電激勵-氣體放電氣體放電 在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導電在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導電(叫做氣體放電叫做氣體放電)，被電場，被電場加速的電子與氣體原子加速的電子與氣體原子(或分子、離子或分子、離子)碰撞，使后者激發(fā)到高碰撞，使后者激發(fā)到高能級，形成粒子數(shù)反轉，這一過程稱為放電激勵。能級，形成粒子數(shù)反轉，這一過程稱為放電激勵。 氣體放電可采用直流或交流的連續(xù)放電、射頻放電氣體放電可采用直流或交流的連續(xù)放電、射頻放電(高頻放電高頻放電)、脈沖放電等形式。直流和交流放電又分為縱向放電和橫向放電脈沖放電等形式。直流和交流放電又分為縱向放電和橫向放電兩種。兩種。 除放電激勵外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵除放電激勵外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵氣體，使之躍遷到高能級，這稱為電子束激勵。氣體，使之躍遷到高能級，這稱為電子束激勵。 氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器 He-Ne激光器可以分激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如右半內(nèi)腔式三種，如右圖所示