第10章 光的量子性和激光器

第十章光的量子性和激光基礎(chǔ)光的電磁理論1960年

梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)可見(jiàn)光的激光器同年制成氦氖激光器1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器解釋了無(wú)法解釋光傳播時(shí)的干涉、衍射和偏振等具有波動(dòng)性質(zhì)的光現(xiàn)象光與物質(zhì)相互作用（如黑體輻射，光電效應(yīng)1900年

普朗克提出輻射能量子的假設(shè)。1905年愛(ài)因斯坦引進(jìn)光子的概念，發(fā)展了自發(fā)輻射和受激輻射的理論，預(yù)言存在原子產(chǎn)生受激輻射放大的可能性。1二、光發(fā)射與吸收的量子模型及激發(fā)方式1.光發(fā)射與吸收的量子模型原子的能量狀態(tài)不能連續(xù)改變，是量子化的，能量狀態(tài)稱(chēng)為量子態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)能量最低的量子態(tài)能量高于基態(tài)的量子態(tài)光子高能級(jí)低能級(jí)光子能量躍遷發(fā)射吸收2

加熱波耳茲曼（Boltzmann）定律處在激發(fā)能為Ei的能級(jí)上的原子數(shù)目該能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重或簡(jiǎn)并度最低能級(jí)的量子態(tài)的原子數(shù)波耳茲曼常數(shù)系統(tǒng)的熱力學(xué)溫度當(dāng)T升高，Ni迅速增加，它們向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)發(fā)射出光子許多氣態(tài)物質(zhì)，特別是金屬蒸氣，加熱易發(fā)光基態(tài)較高能級(jí)躍遷激發(fā)＝2.激發(fā)方式3

輻射激發(fā)基態(tài)較高能級(jí)受激吸收＝吸收光子躍遷發(fā)射光子兩種途徑1）直接回到基態(tài)2）通過(guò)中間能級(jí)回到基態(tài)熒光共振輻射光致發(fā)光方式4

碰撞激發(fā)氫燈、汞燈、鈉光燈的激發(fā)方式機(jī)理陰極電子發(fā)射電場(chǎng)作用獲得動(dòng)能的電子碰撞原子能量傳遞高能級(jí)的原子激發(fā)共振轉(zhuǎn)移基態(tài)的原子激發(fā)態(tài)的原子碰撞躍遷激發(fā)態(tài)基態(tài)回到電致發(fā)光方式如：氣體放電光源氫燈、汞燈等5第二節(jié)自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射與受激吸收一、自發(fā)發(fā)射處在高能級(jí)上的原子，都具有向往穩(wěn)定而自發(fā)地回到低能態(tài)地特性，當(dāng)它們返回低能級(jí)時(shí)以光的形式釋放出能量。發(fā)射的光波的特點(diǎn)：（對(duì)于二能級(jí)系統(tǒng)）頻率相同位相不相關(guān)偏振方向和傳播方向隨機(jī)分布非相干的自然光6二、受激發(fā)射光子作用于高能級(jí)的原子上時(shí)產(chǎn)生受激發(fā)射以二能級(jí)系統(tǒng)為例高能級(jí)原子受到光子激勵(lì)，變到低能級(jí)于是受激發(fā)射過(guò)程中，光子數(shù)獲得了放大7與入射光子比較頻率相同相位相同偏振方向相同傳播方向相同發(fā)射的光波的特點(diǎn)：二者完全相干在dt時(shí)間內(nèi)，單位體積中從高能級(jí)受激躍遷到低能級(jí)的原子數(shù)受激發(fā)射系數(shù)高能級(jí)原子數(shù)密度入射光的單色輻射密度受激發(fā)射幾率與入射光強(qiáng)有關(guān)8三、受激吸收上式表明1）低能態(tài)E1的原子吸收光子的能量才能被抽運(yùn)到高能態(tài)E2上

2）原子對(duì)光能量的吸收是有選擇性的，即唯有頻率為的光子對(duì)E1能級(jí)上的原子作用，才能使原子激發(fā)到E2能級(jí)上去受激吸收消耗外來(lái)光子能量完成泵浦過(guò)程，即把低能級(jí)上的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上受激發(fā)射高能級(jí)的原子發(fā)射光子完成光放大過(guò)程91.激光加工

激光打孔激光切割10激光焊接激光雕刻112.激光武器

直接利用激光的巨大能量。在瞬間危害和摧毀目標(biāo)激光武器推毀目標(biāo)的主要手段就是燒蝕、激波和輻射。激光武器的主要特點(diǎn)有三個(gè)，一是反應(yīng)時(shí)間短、照射速度快、命中精度高123.激光光纖通訊

光導(dǎo)纖維傳光是利用在光導(dǎo)纖維中傳輸光線在界面上發(fā)生全反射來(lái)實(shí)現(xiàn)的有線廣播電視可視電話、電話會(huì)議、醫(yī)療會(huì)診134.激光測(cè)量

它是利用測(cè)量激光往返目標(biāo)物所需的間，來(lái)決定目標(biāo)物的距離。使用激光系統(tǒng)測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)，在于激光本身的高方向性和發(fā)散角很小，擁有較高的功率密度，並可準(zhǔn)確地指定目標(biāo)。利用激光繪制災(zāi)害圖激光檢測(cè)大氣含量14第三節(jié)激光的基本原理愛(ài)因斯坦研究輻射時(shí)指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光(LASER)LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

受激輻射的光放大受激輻射光放大雪崩似地放大自發(fā)輻射發(fā)光激光產(chǎn)生激光的裝置——激光器15粒子數(shù)反轉(zhuǎn)及其能級(jí)系統(tǒng)受激發(fā)射是一種光放大過(guò)程。在熱平衡條件下，從總體上看這種光放大過(guò)程不占優(yōu)勢(shì)因?yàn)榧吹湍芗?jí)上的原子數(shù)目多于高能級(jí)上的原子數(shù)目解決辦法粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即高能級(jí)上的原子數(shù)目多于低能級(jí)上的原子數(shù)目實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，原子的能級(jí)不能少于三級(jí)16三能級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的例子粒子數(shù)原來(lái)呈玻耳茲曼分布激發(fā)原子從E1能級(jí)上升到E3能級(jí)E1和E3間的原子數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡E1和E3間的不形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1和E2間的形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1最穩(wěn)定E3最不穩(wěn)定E2較穩(wěn)定——亞穩(wěn)態(tài)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件）第一臺(tái)激光器紅寶石激光器是三能級(jí)系統(tǒng)，也有一些激光器采用了四能級(jí)系統(tǒng)，如釹玻璃激光器17一、激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過(guò)程用激發(fā)方式或其它方式（如化學(xué)反應(yīng)方式），把低能級(jí)的原子激發(fā)到高能級(jí)上——泵浦不穩(wěn)定的高能級(jí)原子會(huì)下降到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，造成亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)與基態(tài)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)18亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上的原子躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射出各個(gè)方向的光子光學(xué)諧振腔從光子中選擇沿腔軸線方向傳播的光子，將它反饋回來(lái)，再刺激亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)上的原子，造成受激發(fā)射，產(chǎn)生成倍增加的光子再反饋，如此往復(fù)，就可以產(chǎn)生“雪崩”般的效果，激光束就從腔的端面射出19二、激光器的組成泵浦源工作物質(zhì)諧振腔1.工作物質(zhì)能被激發(fā)至粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原子或分子集合—激活介質(zhì)

是產(chǎn)生激光的內(nèi)因能級(jí)結(jié)構(gòu)決定產(chǎn)生激光的頻率

激光器根據(jù)工作物質(zhì)分類(lèi)氣體固體半導(dǎo)體如He-Ne激光器如紅寶石激光器半導(dǎo)體激光器光放大器202.泵浦源將低能級(jí)的原子激發(fā)到高能級(jí)上，并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的重要外因3.諧振腔產(chǎn)生激光振蕩，形成光子的雪崩式放大——光子的共振是產(chǎn)生激光的重要外因由反射比很高的一對(duì)光學(xué)反射鏡作端面的腔體對(duì)于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)，光和介質(zhì)相互作用的結(jié)果，由于受激發(fā)射大于受激吸收，光場(chǎng)被加強(qiáng)，光被放大諧振腔＝激光振蕩？作用：使得發(fā)射沿腔軸向的光子遇到腔端面后可以被反射回到工作介質(zhì)中，使得光子在工作介質(zhì)中來(lái)回振蕩，使得放大作用持續(xù)。21三、產(chǎn)生激光的條件1)受激幅射是產(chǎn)生激光的首要條件，也是必要條件

2)工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),至少有三個(gè)能級(jí)3)

形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于受激吸收4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必須有一個(gè)諧振腔5)光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子多22只有增益滿足振蕩域值條件且頻率又等于諧振頻率的光波才能形成激光激光器的輸出頻率是由諧振腔和工作介質(zhì)共同確定的可以通過(guò)改變腔長(zhǎng)來(lái)選擇激光輸出的縱?？v模與激光單色性關(guān)系？23五、激光的特性1.單色性好

普通的白光有七種顏色，頻率范圍很寬。而激光是一種單色光，頻率范圍極窄，發(fā)散角很小白光和激光的比較白光激光242.方向性強(qiáng)

激光的方向性很高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離之后，它仍然為細(xì)小的光束而不散開(kāi)，而普通光源則會(huì)散開(kāi)

激光的方向性是以發(fā)散角來(lái)度量，發(fā)散角愈大，代表方向性愈差。角度以弧度或毫弧度為單位。普通光源激光253.相干性高

普通光源是通過(guò)自發(fā)輻射發(fā)光，光源上各點(diǎn)發(fā)射的光無(wú)固定的相位關(guān)系，不是相干光。激光是通過(guò)受激輻射發(fā)光，光源上各點(diǎn)發(fā)射的光相位恒定，是相干性良好的相干光普通光源激光264.亮度高因?yàn)榧す獾姆较蛐院?，發(fā)射的能量被限制在很小的立體角中所以激光的亮度比普通光的亮度高千萬(wàn)倍，甚至億萬(wàn)倍一臺(tái)普通的激光器的輸出亮度，比太陽(yáng)表面的亮度大10億倍。從地球照到月亮上再反射回來(lái)也不成問(wèn)題。是當(dāng)今世界上高亮度的光源27第四節(jié)激光器的類(lèi)型按工作物質(zhì)分氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器液體激光器按工作方式分連續(xù)激光器脈沖激光器281.氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)，氣體介質(zhì)的均勻性好，輸出激光的單色性和相干性較好。一般采用電激發(fā)，效率高、壽命長(zhǎng)常用于精密測(cè)量、全息技術(shù)等

2.固體激光器以固體為工作物質(zhì)，由于晶體缺陷和溫度引起的光學(xué)不均勻性，不易獲得單模而傾向于多模輸出，相干性比氣體激光器差一般采用光激勵(lì)，其能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，效率低脈沖峰值功率高，可用于工業(yè)加工如打孔、焊接等293.半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于直接調(diào)制廣泛的應(yīng)用于光通信、光電測(cè)距及光信息存儲(chǔ)與處理

4.液體激光器突出特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)應(yīng)用于分光光譜、光化學(xué)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)種類(lèi)繁多，價(jià)格低廉，效率高，輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美30一、氣體激光器1.氣體激光器的一般結(jié)構(gòu)

氣體激光器的三種典型結(jié)構(gòu)放電激發(fā)方式直流放電交流放電無(wú)電極的高頻放電高壓脈沖常用31二、固體激光器1.固體激光器的一般結(jié)構(gòu)

工作物質(zhì)泵浦源諧振腔激活離子鑲嵌在晶體或玻璃之類(lèi)的固體基質(zhì)中，密度比氣體工作物質(zhì)大得多，固體基質(zhì)通常做成棒狀光泵抽運(yùn)，常用氙燈或高壓水銀燈，其發(fā)光可以連續(xù)，也可以是脈沖的固體基質(zhì)端面拋光成光學(xué)平面，鍍上反射膜，構(gòu)成諧振腔，也可以用兩個(gè)反射鏡構(gòu)