激光的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、激光的特點(diǎn)激光的特點(diǎn) 及應(yīng)用及應(yīng)用1960年年5月（美國）梅曼制成世界上第一臺(tái)月（美國）梅曼制成世界上第一臺(tái)激光器激光器我國第一臺(tái)激光器是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密我國第一臺(tái)激光器是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究室王之江等幾位同事共同實(shí)驗(yàn)研制的。機(jī)械研究室王之江等幾位同事共同實(shí)驗(yàn)研制的。工作物質(zhì)是紅寶石晶體。工作物質(zhì)是紅寶石晶體。時(shí)間是時(shí)間是1961年年9月。月。激光是一種新光源，也是一門新激光是一種新光源，也是一門新興的科學(xué)技術(shù)興的科學(xué)技術(shù)激光的特點(diǎn)及應(yīng)用激光的特點(diǎn)及應(yīng)用一、激光的特點(diǎn)：一、激光的特點(diǎn)：方向性極好方向性極好（發(fā)散角（發(fā)散角10 -4弧度）弧度）空間相干性好，有的激光波面上空間相干

2、性好，有的激光波面上 各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。時(shí)間相干性好（時(shí)間相干性好（ 10 - 8埃），埃）， 相干長度可達(dá)幾十公里。相干長度可達(dá)幾十公里。相干性極好相干性極好單色性好單色性好氦氦氖激光器發(fā)出的光波長氖激光器發(fā)出的光波長為為632.8nm,波長范圍為波長范圍為nm810脈沖瞬時(shí)功率大脈沖瞬時(shí)功率大（可達(dá)（可達(dá)10 14瓦）瓦）亮度極高亮度極高能量集中能量集中二、激光的應(yīng)用二、激光的應(yīng)用激光加工、激光準(zhǔn)直、激光測(cè)距、激光手術(shù)、激光武器、激光加工、激光準(zhǔn)直、激光測(cè)距、激光手術(shù)、激光武器、激光核聚變激光核聚變. -方向性好和能量集中方向性好和能量集中激光測(cè)長、激光干涉、激光測(cè)流

3、速、激光全息照象、激光測(cè)長、激光干涉、激光測(cè)流速、激光全息照象、-激光相干性極好激光相干性極好激光通訊、數(shù)據(jù)處理、激光通訊、數(shù)據(jù)處理、-超短脈沖激光超短脈沖激光激光信息儲(chǔ)存和光計(jì)算機(jī)：光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可高達(dá)每激光信息儲(chǔ)存和光計(jì)算機(jī)：光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可高達(dá)每秒百億次秒百億次. 按工作方式分按工作方式分 連續(xù)式（功率可達(dá)連續(xù)式（功率可達(dá)104 W） 脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014 W ） 固體（如紅寶石固體（如紅寶石Al2O3） 液體（如某些染料）液體（如某些染料） 氣體（如氣體（如He-Ne，CO2） 半導(dǎo)體（如砷化鎵半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAs） 按工作物質(zhì)分按工作物質(zhì)分三

4、、激光的種類：三、激光的種類：1、自發(fā)輻射、自發(fā)輻射: 設(shè)設(shè) N1 、N2 單位體積中處于單位體積中處于E1 、E2 能級(jí)的原子數(shù)。能級(jí)的原子數(shù)。 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中單位時(shí)間內(nèi)， 從從E2 E1自發(fā)輻射自發(fā)輻射 的原子數(shù)：的原子數(shù)： 2NdtdN 自發(fā)自發(fā)21E2E1N2N1h 2 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生一、光和原子的相互作用一、光和原子的相互作用寫成等式寫成等式 22121NAdtdN 自發(fā)自發(fā) 21 自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位自發(fā)輻射系數(shù)，單個(gè)原子在單位 時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。 各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、 無

5、關(guān)的無關(guān)的 非相干光非相干光 。2受激輻射受激輻射 :N2E1E2N1全同光子全同光子h 設(shè)設(shè) （ 、）溫度為溫度為時(shí)時(shí), 頻率為頻率為 = (E2 - E1) / h附近，單位頻率間隔的附近，單位頻率間隔的 外來光的能量密度。外來光的能量密度。 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E E 受激輻射的原子數(shù)：受激輻射的原子數(shù)：2N)T(dtdN、受激受激 21寫成等式寫成等式 221NTBdtdN、受激受激 21 B21受激輻射系數(shù)受激輻射系數(shù)W21 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 受激輻射過程的概率。受激輻射過程的概率。221NWdtdN21 受激受激則則受激輻

6、射光與外來光的頻率、偏振方向、受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同相位及傳播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21 = B21 （ 、T）3 . 吸收吸收:E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子上述外耒光也有可能被吸收，使原子 從從E1E2。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來光而從單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來光而從 E1E2 的原子數(shù)：的原子數(shù)： 112NT,dtdN 吸收吸收寫成等式寫成等式11212NWdtdN 吸收吸收 B12 吸收系數(shù)吸收系數(shù)令令 W12=12 ( 、T) W12 單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生 吸收過

7、程的概率。吸收過程的概率。 11212NT,BdtdN 吸收吸收A21 、B21 、B12 稱為愛因斯坦系數(shù)。稱為愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦在愛因斯坦在 1年從理論上得出年從理論上得出1233218BChA 愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。沒有實(shí)驗(yàn)家沒有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向。理論家就會(huì)迷失方向。沒有理論家沒有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。B21 = B12二、二、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一一. 為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn): 22122121NWNT,BdtdN 受激受激 11

8、211212NWNT,BdtdN 吸收吸收從從E2 E1 自發(fā)輻射的光，可能引起自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。受激輻射過程，也可能引起吸收過程。必須必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。因因 B21=B12 W21=W12產(chǎn)生激光必須產(chǎn)生激光必須 吸收吸收受激受激 dtdNdtdN1221把把 的原子激發(fā)到高能態(tài)的原子激發(fā)到高能態(tài) 上去，這個(gè)過程叫激上去，這個(gè)過程叫激勵(lì)，俗稱泵浦。能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為激勵(lì)，俗稱泵浦。能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)?；钗镔|(zhì)。1E2E例例. He一一Ne 氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 三、激活物質(zhì)的能級(jí)

9、結(jié)構(gòu)三、激活物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡毛細(xì)管毛細(xì)管陽極陽極陰極陰極布氏窗布氏窗外腔式外腔式He一一Ne 氣體激光器氣體激光器 He -Ne 激光器中激光器中He是輔助物質(zhì)，是輔助物質(zhì)，Ne是是激活物質(zhì)，激活物質(zhì)，He與與 Ne之比為之比為51 1011。S32S12S11He電子碰撞電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移碰撞轉(zhuǎn)移亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)Ne3P4P2P3S5S4S20.66eV19.78eV20.30eV18.70eV16.70eVm 39. 3m 15. 1m 6328. 0He-Ne激光管的工作原理：激光管的工作原理： 由于電子的碰撞由于電子的碰撞, ,He被激發(fā)被激發(fā)( (到到2

10、23 3S和和2 21 1S能級(jí)能級(jí)) ) 的概率比的概率比 Ne 原子被激發(fā)的概率大；原子被激發(fā)的概率大； 在在He 的的2 23 3S，2 21 1S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)，這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)， 很難回到基態(tài)；很難回到基態(tài)； 在在He的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上 集聚了較多的原子。集聚了較多的原子。 由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S與與 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常 容易產(chǎn)生能量的容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移”；（要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，（要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒

11、子數(shù)外， 還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)）還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)） 正好正好Ne的的5 5S，4 4S是是亞穩(wěn)態(tài)，下能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)，下能級(jí) 4 4P， 3 3P 的壽命比上能級(jí)的壽命比上能級(jí)5 5S，4 4S要短得多，要短得多， 這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。 在碰撞中在碰撞中 He 把能量傳遞給把能量傳遞給 Ne而回到基態(tài)，而回到基態(tài)， 而而 Ne則被激發(fā)到則被激發(fā)到 5 5S 或或 4 4S； 放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子 與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 3 S態(tài)態(tài) 的的Ne原子可以將能量交給

12、管壁發(fā)生原子可以將能量交給管壁發(fā)生 “ “無輻射躍遷無輻射躍遷”而回到基態(tài)，而回到基態(tài)，以及時(shí)減少以及時(shí)減少3 3S態(tài)的態(tài)的Ne原子數(shù)，原子數(shù)，有利于激光下能級(jí)有利于激光下能級(jí)4 4P與與3 3P態(tài)的抽空。態(tài)的抽空。 Ne原子原子可以產(chǎn)生多條激光譜線可以產(chǎn)生多條激光譜線, , 圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條: : 06328 115 m 339 它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、 非基態(tài)非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四、光學(xué)諧振腔四、光學(xué)諧振腔 縱模與橫模縱模與橫模全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激勵(lì)能源激勵(lì)能

13、源激光器有兩個(gè)反射鏡，激光器有兩個(gè)反射鏡，它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔的作用：光學(xué)諧振腔的作用： 1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；使激光具有極好的方向性（沿軸線）； 2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；增強(qiáng)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）。使激光具有極好的單色性（選頻）。設(shè)氦氖激光器設(shè)氦氖激光器Ne原子的原子的06328 m受激輻射光受激輻射光的譜線寬度為的譜線寬度為 ,如圖所示。如圖所示。 1.3 109 Hz)(0 I2)(0 I 0I激光的縱膜激光的縱膜由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，由于光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，所以有光程所以有光程 2kknL ( k=1、2、3、) k真空中的波長真空中的波長knLk2 n 諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率Lk=1k=2k=3 可以存在的縱