激光上課講義

第十四章激光和固體的量子理論

§14.1激光(Laser)

——受激輻射光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)世界上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器(T.H.Maiman，1960)1.激光的產(chǎn)生⑴受激輻射自發(fā)輻射(spontaneousradiation)：①h——處于高能態(tài)(Eh)的原子，在沒(méi)有外界作用下，自發(fā)躍遷到低能態(tài)(El)，并發(fā)出一個(gè)光子(h=Eh-El).EhEl光的吸收：②h——原子吸收入射光子(h=Eh-El)，從低能態(tài)(El)躍遷到高能態(tài)(Eh).EhElhhh③受激輻射(stimulatedradiation)：——處于高能態(tài)(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的誘導(dǎo)作用，躍遷到低能態(tài)(El)，并發(fā)出一個(gè)與入射光子的頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向都完全相同的光子.EhEl④光放大(lightamplification)：——若有一批原子處于高能態(tài)(Eh)，則在一個(gè)入射光子(h=Eh-El)的作用下，會(huì)通過(guò)一系列受激輻射產(chǎn)生不斷倍增的完全相同的光子.⑵粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在平衡態(tài)下，處于不同能態(tài)的原子數(shù)由Boltzmann分布律確定：e.g.He-Ne激光器：=632.8nm平衡態(tài)下：在入射光子(h=Eh-El)作用下，原子產(chǎn)生吸收(ElEh)的概率和產(chǎn)生受激輻射(EhEl)的概率相同，因此在正常情況下，吸收占優(yōu).設(shè)法使N(Eh)>N(El)，這種反常狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion).能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為激活介質(zhì)(activemedium)或工作物質(zhì).

激活介質(zhì)的特點(diǎn):存在壽命較長(zhǎng)(10-3~1s)的激發(fā)態(tài)——亞穩(wěn)態(tài)(metastablestate).He-Ne激光器：碰撞632.8nmNote:這里“三能級(jí)”和“四能級(jí)”指激光運(yùn)轉(zhuǎn)中涉及到的能級(jí)個(gè)數(shù)，并非指激活介質(zhì)的所有能級(jí)數(shù)。HeNeE3E1E2E4E2E3E4電激發(fā)2.激光的特性⑴方向性好——發(fā)散角：10-3~10-6rad⑵強(qiáng)度高——強(qiáng)度可達(dá)1017W/cm2(氧炔焰~103W/cm2)激光器輸出功率：連續(xù)可達(dá)105W脈沖可達(dá)1014W(世界電站總功率~1012W)⑶單色性好——：10-6~10-9nm⑷相干性好——是相干光3.激光的應(yīng)用激光測(cè)距：月－地距離誤差～幾cm激光加工：打孔、切割、焊接、表面處理激光醫(yī)療：激光手術(shù)刀，視網(wǎng)膜焊接，角膜切割，腫瘤診斷(光動(dòng)力學(xué)方法)，創(chuàng)傷愈合，針灸、美容等軍事：激光制導(dǎo),束能武器,激光致盲核技術(shù)：分離同位素,引發(fā)核聚變信息技術(shù)：光通信，信息存儲(chǔ)，全息照相⒋光學(xué)諧振腔(opticalcavity)——一對(duì)平行的反射鏡，鏡面與激活介質(zhì)的軸線垂直.激活介質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激勵(lì)能源激光輸出⑴提高激光的方向性沿軸向傳播的光，可在腔內(nèi)來(lái)回反射，不斷通過(guò)受激輻射得到放大，而沿其它方向傳播的光很快從側(cè)面逸出，不能繼續(xù)引起受激輻射。⑵提高激光的單色性光在腔內(nèi)來(lái)回反射,產(chǎn)生多光束干涉,結(jié)果,只有其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍等于腔長(zhǎng)的光才會(huì)在腔內(nèi)存在。作用：Notes:①諧振腔的閾值條件(thresholdcondition)——增益大于損耗當(dāng)光在腔內(nèi)來(lái)回一次所得到的放大(稱為增益)，超過(guò)同一過(guò)程中光的損耗(介質(zhì)和反射鏡對(duì)光的吸收、散射等)時(shí)，才能真正實(shí)現(xiàn)光放大。②若在諧振腔的兩反射鏡之間加上一對(duì)布儒斯特窗，還可得到偏振性極好的線偏振光。e.g.外腔式He-Ne激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)＋諧振腔激光電源He,Ne布儒斯特窗100%反射99%反射1%透射激勵(lì)能源＋激活介質(zhì)

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)綜上：激光器類型：氣體激光器(He-Ne,Ar+,CO2,準(zhǔn)分子等)液體激光器(染料)固體激光器(紅寶石，釔鋁石榴石(YAG)等)半導(dǎo)體激光