激光原理輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件

《激光原理與技術(shù)》是為光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)培養(yǎng)計劃中被列為核心必修課程。激光原理與技術(shù)是光學(xué)的一個重要分支，在現(xiàn)代信息科學(xué)特別是光電信息科學(xué)中占有重要地位，具有較強的理論性、前沿性和探討性。激光的產(chǎn)生具有劃時代的意義，無論在科學(xué)發(fā)展還是技術(shù)應(yīng)用上都有廣闊的應(yīng)用前景。為什么學(xué)習(xí)《激光原理與技術(shù)》？緒論本文檔共137頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\17點11分知識激光器的基本原理和理論方法掌握激光技術(shù)的基本方法技能培養(yǎng)理論思維能力培養(yǎng)分析問題能力培養(yǎng)基本科研實踐能力學(xué)習(xí)《激光原理與技術(shù)》的目標(biāo)本文檔共137頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\17點11分《激光原理與技術(shù)》課程的對象是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的大三學(xué)生，學(xué)習(xí)本課程之前，要先修高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法、大學(xué)物理、電磁理論、量子力學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)等一些基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)本課程之后，可以為本專業(yè)的后續(xù)課程：光電子檢測技術(shù)、光通信技術(shù)和光信息綜合實驗等課程打下基礎(chǔ)?！都す庠砼c技術(shù)》與其他課程的關(guān)聯(lián)本文檔共137頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\17點11分課程作業(yè)與考核評價的說明

本課程的每一章將布置2-3次作業(yè)，提交形式為網(wǎng)上提交或課堂提交，以基本概念和原理的理解為主要內(nèi)容。本課程總評成績由期中、期末考試、平時作業(yè)和考勤成績構(gòu)成，采用百分制。1.期末考試成績占總評成績的70%，2.期中考試成績占總評成績的20％，3.平時作業(yè)和考勤成績占總評成績的10%。本文檔共137頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\17點11分本課程的教改項目2005.6，2004-2005《激光原理與技術(shù)》校本科課程“優(yōu)質(zhì)教學(xué)和教案”建設(shè)項目2010.4，福建師范大學(xué)2010年度省級精品課程項目本文檔共137頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\17點11分關(guān)于教材與學(xué)習(xí)參考書的建議

中文參考書的建議：陳鈺清和王靜環(huán)，（新世紀(jì)高等院校精品教材）《激光原理》，浙江大學(xué)出版社2004年1月第八次印刷出版周炳琨等，《激光原理》

第四版，國防工業(yè)出版社，2000沈柯，《激光原理教程》

北京工業(yè)出版社，1986鄒英華等，激光物理學(xué)，北京大學(xué)出版社，1991

伍長征等，激光物理學(xué)，復(fù)旦大學(xué)出版社，1989本文檔共137頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\17點11分關(guān)于教材與學(xué)習(xí)參考書的建議

英文參考書的建議：ChristopherC.Davis.《LasersandElectro-Optics》(激光與電光學(xué)).1996,CambridgeUniversityPress.(1998授權(quán)世界圖書出版公司北京分公司獨家重印發(fā)行)J.WilsonandJ.F.B.Hawkes.《LasersPrinciplesandApplications》.1987,PrenticeHallInternationalLimited

本文檔共137頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\17點11分主要學(xué)習(xí)內(nèi)容(共48學(xué)時)第一部分

激光的物理基礎(chǔ)（第1章）第二部分

激光器的工作原理和輸出特性（第2、3章）第三部分

激光的基本技術(shù)和典型激光器介紹（第4、5章）第四部分

激光的應(yīng)用（第8章）本文檔共137頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\17點11分激光的發(fā)展簡史激光器的類型激光的應(yīng)用激光的傷害緒論本文檔共137頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\17點11分緒論1：激光的發(fā)展簡史1917年著名的物理學(xué)家愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時候發(fā)現(xiàn)，除了受激吸收和自發(fā)輻射躍遷過程外，還存在受激輻射躍遷過程。“受激輻射”概念的提出奠定了激光的理論基礎(chǔ)。LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser利用受激輻射實現(xiàn)光放大本文檔共137頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\17點11分湯斯，巴索夫，普羅霍羅夫獲1964年Nobel獎1954年，湯斯、巴索夫、普羅霍羅夫分別獨立發(fā)明了一種微波波段的受激輻射放大器（MASER）

——尺度和波長可比擬的封閉諧振腔。湯斯巴索夫普羅霍羅夫本文檔共137頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\17點11分1958年，貝爾實驗室的湯斯和肖洛提出了利用尺度遠(yuǎn)大于波長的開放式光諧振腔，實現(xiàn)了激光器的新思想同年，布洛姆伯根提出了利用光泵浦三能級原子系統(tǒng)實現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)想。肖洛布洛姆伯根肖洛和布洛姆伯根獲得了1981年諾貝爾物理學(xué)獎！本文檔共137頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\17點11分1961年8月，中國第一臺紅寶石激光器問世。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所研制成功。1960年美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了世界上第一臺紅寶石固態(tài)激光器（波長為694.3nm），標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生。1927-20071961年，貝爾實驗室的Javan等發(fā)明了世界上第一臺He-Ne激光器。1965年，第一臺可產(chǎn)生大功率激光的器件CO2激光器誕生。本文檔共137頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\17點11分1967年，第一臺Ｘ射線激光器研制成功。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)－神光裝置，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研制成功。

（課后自己查資料了解神光裝置?。?997年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺原子激光器。半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、納米激光器…本文檔共137頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\17點11分我國激光器研究情況激光器的第一臺研制成功時間研制人紅寶石激光器（我國第一臺)1961年11月鄧錫銘、王之江He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤文等本文檔共137頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\17點11分緒論2：激光器的分類按照不同的分類原則，激光器可做如下分類：激活介質(zhì)的形態(tài)分類：

固體、氣體、液體（染料）、半導(dǎo)體、等離子體等；

激光器激射波長的范圍：

可見光譜、紅外光譜、X射線等；激勵方式：

光激勵、電激勵、熱激勵、化學(xué)激勵；激光器工作的能級系統(tǒng)：

三能級、四能級本文檔共137頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\17點11分緒論3：激光的應(yīng)用激光與普通光源相比較有三個特點：

方向性好、相干性好、亮度高激光的發(fā)明,影響了人類生活的方方面面,小到納米技術(shù)、大到宇宙空間研究,幾乎所有的科學(xué)進步都直接或間接地得益于激光技術(shù)的發(fā)展。本文檔共137頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\17點11分科學(xué)研究工業(yè)生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)國防軍事農(nóng)業(yè)激光本文檔共137頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\17點11分3.1激光在國防軍事中的應(yīng)用－激光武器激光熱武器激光制導(dǎo)炸彈類型殺傷機理：燒蝕效應(yīng)；激波效應(yīng)；輻射效應(yīng)優(yōu)點：無需進行彈道計算;無后座;操作簡便，機動靈活，使用范圍廣;無放射性污染，效費比高.本文檔共137頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\17點11分激光制導(dǎo)炸彈“寶石路”ⅡGBU-10907公斤炸彈美制GBU-28激光制導(dǎo)炸彈加掛在戰(zhàn)機機腹下本文檔共137頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\17點11分激光槍本文檔共137頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\17點11分激光炮前端新裝備激光發(fā)射炮塔的波音747本文檔共137頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\17點11分機載激光武器波音公司的747-400“激光戰(zhàn)機”已進入驗證階段“激光戰(zhàn)機”的球狀機頭里裝著大功率激光器本文檔共137頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\17點11分3.2激光在工業(yè)生產(chǎn)加工中的應(yīng)用激光測量激光表面改性技術(shù)激光打孔、切割激光焊接激光快速成型激光強化激光清洗、彎曲……本文檔共137頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\17點11分激光打孔裝置小孔樣品電子元件、醫(yī)療設(shè)備、傳感器、計算機、航空電子等設(shè)備的制造商需要一些零件，它們具有微型尺寸，復(fù)雜的外形和小孔形狀。紡織工業(yè)使用的噴絲頭和火車柴油機的噴油嘴就是這樣的例子，這兩個實例都是金屬零件，在上面鉆了精細(xì)的小孔。這些典型的小孔尺寸為50-100μm，小孔深度達(dá)2mm。激光打孔本文檔共137頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\17點11分激光測量本文檔共137頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\17點11分Meta公司激光焊縫系統(tǒng)激光焊接本文檔共137頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\17點11分3.3激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用光纖通訊激光全息三維顯示激光存儲技術(shù)激光掃描和激光打印……本文檔共137頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\17點11分激光用于通訊光通信用的激光器差不多全部是半導(dǎo)體激光器，只有少量的CATV系統(tǒng)采用1310納米或1550納米LD泵浦固體激光器。通信用的激光器主要有兩類：光纖放大器用的泵浦光源和發(fā)射機用的信號光源。應(yīng)用于自由空間光通信（FSO）的激光器有850nm和1550nm兩種本文檔共137頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\17點11分激光存儲利用激光干涉原理將圖文等信息記錄在感光介質(zhì)上的大容量信息存儲技術(shù)通過將縮微膠片上的影像轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?，然后制出存儲密度更大的全息圖全息圖是由干涉條紋組成的影像，該條紋記錄了入射光線的全部信息—振幅和相位閱讀還原時，需在激光照射下利用條紋影像的衍射原理使其再現(xiàn)。優(yōu)點：信息存儲容量大－可達(dá)1Tb/cm3；記錄速度快；記錄信息不易丟失－壽命可達(dá)數(shù)百年；便于長期保存－每一碎片都包含完整信息便于拷貝、復(fù)制。本文檔共137頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\17點11分全息照相－全息再現(xiàn)用于藝術(shù)創(chuàng)作多路合成角度全息用于藝術(shù)品展示本文檔共137頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\17點11分上海世博中國館清明上河圖本文檔共137頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\17點11分激光全息防偽本文檔共137頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\17點11分激光背投電視采用二極管泵浦的固體激光器，倍頻輸出紅綠藍(lán)三基色的激光全色顯示具有色彩十分豐富多彩，亮度高、清晰度高等優(yōu)點預(yù)計未來10年內(nèi)在計算機投影儀、大屏幕高清晰顯示和數(shù)字電視方面得到廣泛應(yīng)用。本文檔共137頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\17點11分3.4激光在科學(xué)研究中的應(yīng)用激光核聚變激光冷卻：激光冷凍原子與原子鐘激光操縱微粒激光誘導(dǎo)化學(xué)過程激光光譜學(xué)……本文檔共137頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\17點11分3.5激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用光凝固（Photocoagulation）光消融（Photoablation）生物刺激（Biostimulation）激光碎石（Laser

lithotripy）診療腫瘤（Destroying

tumor）醫(yī)學(xué)成像……已廣泛應(yīng)用于心血管、腫瘤、眼科、皮膚科、中醫(yī)治療學(xué)、細(xì)胞手術(shù)系統(tǒng)等。醫(yī)學(xué)治療醫(yī)學(xué)診斷本文檔共137頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\17點11分醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室的激光器飛秒激光多光子熒光顯微成像實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\17點11分醫(yī)用外科激光實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\17點11分

超脈沖CO2激光治療系統(tǒng)（以色列，10.6μm,30w）醫(yī)用外科激光實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\17點11分脈沖Ho:YAG激光治療儀（德國,0.8μm,3J,20Hz,光纖輸出）醫(yī)用外科激光實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\17點11分

脈沖Er:YAG激光治療儀（美國,2.94μm,30w,2J,七關(guān)節(jié)輸出）醫(yī)用外科激光實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\17點11分

Nd:YAG激光治療儀（1341nm,100w,光纖輸出，偏振光）醫(yī)用外科激光實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\17點11分IPLQueenPremium以色列設(shè)備，國內(nèi)組裝波長560～1200nm能量密度10～45J/cm2脈寬300ms強脈沖光源/光子嫩膚實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\17點11分激光波長為670±5nm，功率連續(xù)可調(diào)，最大光纖末端輸出功率2瓦。醫(yī)用半導(dǎo)體激光實驗室本文檔共137頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\17點11分激光與白光的區(qū)別緒論4：激光的危害本文檔共137頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\17點11分激光的特性使得它比普通光更危險，它在一個小區(qū)域內(nèi)能聚集很多能量。本文檔共137頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\17點11分ControlMeasuresandPersonalProtectiveEquipment必須戴防護眼鏡Mustwearprotectivegoggles本文檔共137頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共137頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\17點11分Caution,laser

!本文檔共137頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期二\17點11分第一章輻射理論概要與激光產(chǎn)生條件§1.1光的波粒二象性§1.2原子能級和輻射躍遷§1.3受激輻射§1.4光譜線增寬§1.5激光形成條件本文檔共137頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期二\17點11分§1.1光的波粒二象性人類對光的認(rèn)識過程：牛頓微粒說惠更斯菲捏耳的波動說愛因斯坦的光子說光的波粒二象性粒子性：光與物質(zhì)相互作用具有能量、動量、運動質(zhì)量光波光子

波動性：傳播過程具有頻率、波長、偏振本文檔共137頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期二\17點11分光與大多數(shù)探測器作用時，主要是電矢量起作用，故把電矢量稱作光矢量光波是電磁波振動的電場；振動的磁場l1.1.1光波光波是橫波，有偏振方向，激光本質(zhì)上講是偏振光---偏振方向有時隨時間變化本文檔共137頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期二\17點11分(2)自然光z傳播方向Ex(1)線偏振光ExyEy1線偏振光2光速、頻率和波長三者的關(guān)系電磁波譜本文檔共137頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期二\17點11分(1)波長:振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。(2)光速：(3)頻率：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)（在真空中)

(4)三者的關(guān)系：各種介質(zhì)中傳播時，保持其原有頻率不變，而速度各不相同本文檔共137頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期二\17點11分自然界中所有材料的折射率均大于1，各種氣體的折射率近似等于1；負(fù)折射率材料：當(dāng)介電常數(shù)<0，磁導(dǎo)率<0時，折射率n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）3單色平面波(1)平面波波陣面或等相位面：光波相位相同的空間各點所連成的面平面波：波陣面是平面本文檔共137頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期二\17點11分(2)單色平面波：具有單一頻率的平面波準(zhǔn)單色波：實際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如稱為準(zhǔn)單色波。實際生活中無窮遠(yuǎn)處傳來的光，透鏡前焦點上光源通過透鏡形成的光束可以看成平面波理想的單色平面波單色平面波的表示---行波方程本文檔共137頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期二\17點11分（3）單色平面波的復(fù)數(shù)表示復(fù)振幅:代表振幅在空間的分布，輻角(-kz)代表位相在空間的分布

光強：單位時間內(nèi)通過垂直于光傳播方向單位面積的光波能量。光強與光矢量大小的平方成正比，即本文檔共137頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期二\17點11分球面簡諧波方程：球面波的復(fù)數(shù)表示法：（4）球面波及其復(fù)數(shù)表示法波陣面為一系列同心圓的波是球面波本文檔共137頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期二\17點11分1.1.2光子光子的動量在真空中一個光子的能量式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?s。光子的具有運動質(zhì)量光的頻率越高，光子能量就越大！本文檔共137頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期二\17點11分§1.2原子能級和輻射躍遷為了說明原子能級間的輻射躍遷，需要復(fù)習(xí)原子能級的概念；為了知道在不同的能級上原子的數(shù)量，需要了解簡并度的概念。本文檔共137頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期二\17點11分1.2.1原子的能級和簡并度物質(zhì)是由原子、分子或離子組成，而原子有帶正電的原子核及繞核運動的電子組成；電子一方面繞核做軌道運動，一方面本身做自旋運動。+e-e-e原子核電子角動量L=r×p本文檔共137頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期二\17點11分主量子數(shù)n，n＝1，2，3，…大體上決定原子中電子的能量值．不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運動;輔量子數(shù)l,l=0,1,2,…,(n-1)，它表征電子有不同的軌道角動量，這也同電子的能量有關(guān)。對l=0,1,2,3等的電子順次用s,p,d,f字母表示;磁量子數(shù)m=0，±1，±2，…±l.

決定軌道角動量在外磁場方向的分量;自旋量子數(shù)ms=±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動量在外磁場方向的分量;原子中電子的狀態(tài)由下列四個量子數(shù)來確定：本文檔共137頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期二\17點11分電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài)（電子態(tài)）電子的能級，依次用E0，E1，E2，…En表示；基態(tài)：原子處于最低的能級狀態(tài)；激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài)；E0基態(tài)E1E2En激發(fā)態(tài)電子（或原子系統(tǒng)）的能級本文檔共137頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期二\17點11分簡并能級：能級有兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài)；簡并度：同一能級所對應(yīng)的不同電子運動狀態(tài)的數(shù)目。氫原子1s,2p態(tài)的簡并度原子狀態(tài)nlms簡并度1s100±1/222p2110-1±1/2±1/2±1/26sssPPd簡并能級、簡并度本文檔共137頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期二\17點11分1.2.2波爾茲曼分布現(xiàn)考慮由n0個相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級分布服從波爾茲曼定律：式中g(shù)i為Ei的簡并度；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱平衡時的絕對溫度；

ni表示處在Ei能級的原子數(shù)分別處于Em和En能級上的原子數(shù)nm和nn必然滿足下一關(guān)系熱平衡條件下，處在高能級狀態(tài)的粒子數(shù)總是小于處在低能級狀態(tài)的粒子數(shù)本文檔共137頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期二\17點11分1.2.3輻射躍遷和非輻射躍遷高能級的原子總是傾向于過度到低能級狀態(tài)以便更加穩(wěn)定輻射躍遷：發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象。非輻射躍遷：原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量。發(fā)射吸收本文檔共137頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期二\17點11分§1.3光的受激輻射光與物質(zhì)相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎(chǔ)。1900年普郎克用輻射量子化假設(shè)解釋了黑體輻射分布規(guī)律1917年愛因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普郎克公式，提出兩個重要概念：受激輻射和自發(fā)輻射。本文檔共137頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期二\17點11分黑體（又稱絕對黑體）：對投射到該物面上的各種波長的能量100％地吸收。（自然界不存在絕對黑體）

空腔輻射體是一個比較理想的絕對黑體。

平衡的黑體熱輻射：輻射過程中，形成穩(wěn)定的輻射場，始終保持溫度T不變。1.3.1黑體熱輻射

熱輻射或溫度輻射：物體吸收電磁輻射外，還會發(fā)出電磁輻射。空腔輻射體本文檔共137頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期二\17點11分

在量子假設(shè)的基礎(chǔ)上，由量子統(tǒng)計理論得到真空中rn與溫度T及頻率n的關(guān)系，即為普朗克黑體輻射的單色輻射能量密度公式式中k為波爾茲曼常數(shù)?？傒椛淠芰棵芏?輻射場用單色輻射能量密度

來描述；單色輻射能量密度

定義：輻射場中單位體積內(nèi)，頻率在

附近的單位頻率間隔中的輻射能量。式中為輻射能本文檔共137頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期二\17點11分

1000K2000K3000K4000K012345n(1014Hz)黑體輻射曲線不同溫度下黑體輻射的單色能量密度對頻率的曲線本文檔共137頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期二\17點11分任何粒子的輻射光和吸收光的過程都是原子能級之間的躍遷過程光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程：自發(fā)輻射受激輻射受激吸收這三種過程總是同時存在，緊密聯(lián)系。只討論與產(chǎn)生激光有關(guān)的原子的兩個能級E2和E1.之間的躍遷，不影響其普遍規(guī)律性1.3.2光與物質(zhì)的作用本文檔共137頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期二\17點11分1.自發(fā)輻射自發(fā)輻射：高能級的原子自發(fā)地從高能級E2向低能級E1躍遷，同時放出能量為的光子自發(fā)輻射的特點：頻率雖相同，但沒有固定的相位關(guān)系，偏振方向不同，傳播方向也不同?！窍喔晒鈭D（1-6）自發(fā)輻射本文檔共137頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期二\17點11分對于大量原子統(tǒng)計平均來說，從E2經(jīng)自發(fā)輻射躍遷到E1的原子數(shù)有式中n2為某時刻高能級E2上的原子數(shù)密度，dn2表示在dt時間間隔內(nèi)由E2自發(fā)躍遷到E1的原子數(shù)，“－”表示E2能級的粒子數(shù)密度是減少。A21稱為愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)，簡稱自發(fā)輻射系數(shù)，它是粒子能級系統(tǒng)的特征參量。本文檔共137頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期二\17點11分愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)可表示為物理意義是：單位時間內(nèi)，發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級總粒子數(shù)密度的百分比。（也稱自發(fā)輻射幾率）解該方程得

式中n20為t=0時處于能級E2的原子數(shù)密度本文檔共137頁；當(dāng)前第74頁；編輯于星期二\17點11分自發(fā)輻射平均壽命：全部原子完成自發(fā)輻射所需時間之和對原子數(shù)的平均。等于原子數(shù)密度由起始值降到1/e所用的時間，用表示例如：紅寶石晶體中，鉻離子激光上下能級間自發(fā)輻射系數(shù)A21為102s-1量級，表示它的平均壽命約為10-2s。本文檔共137頁；當(dāng)前第75頁；編輯于星期二\17點11分激發(fā)態(tài)En的自發(fā)輻射平均壽命為：式中Anm為高能級En躍遷到Em的躍遷幾率自發(fā)輻射的光功率密度（W/m3）：本文檔共137頁；當(dāng)前第76頁；編輯于星期二\17點11分2受激輻射受激輻射：當(dāng)受到外來的能量的光照射時，高能級E2上的原子受到外來光的激勵作用向低能級E1躍遷，同時發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子。光的受激輻射過程圖（1-9）光的受激輻射過程本文檔共137頁；當(dāng)前第77頁；編輯于星期二\17點11分受激輻射的特點當(dāng)外來激勵光子能量為高低兩能級能量差時，才能發(fā)生受激輻射受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同，即：頻率、位相、偏振和傳播方向完全一樣，因此受激輻射與外來輻射是相干的，換句話說外來輻射被“放大”了光的受激輻射過程是產(chǎn)生激光的基本過程.受激輻射與自發(fā)輻射重要的區(qū)別在于相干性。本文檔共137頁；當(dāng)前第78頁；編輯于星期二\17點11分從E2經(jīng)受激輻射躍遷到E1的原子數(shù)有式中的為外來光的光場單色能量密度。其他參數(shù)意義同自發(fā)輻射：n2為某時刻高能級E2上的原子數(shù)密度（即單位體積中的原子數(shù)），dn2表示在dt時間間隔內(nèi)由E2受激輻射躍遷到E1的原子數(shù)，“－”表示E2能級的粒子數(shù)密度減少B21稱為愛因斯坦受激輻射系數(shù)，簡稱受激輻射系數(shù)本文檔共137頁；當(dāng)前第79頁；編輯于星期二\17點11分受激輻射（躍遷）幾率W21：物理意義：單位時間內(nèi)，在外來單色能量密度為的光照下，E2能級上發(fā)生受激輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級總粒子數(shù)密度的百分比。注意：自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身，而受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數(shù)與外來光單色能量密度的乘積。本文檔共137頁；當(dāng)前第80頁；編輯于星期二\17點11分3受激吸收受激吸收：處于低能級E1的原子受到外來光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程光的受激吸收過程特點：處于低能級E1的原子受到外來光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程。圖（1-9）光的受激吸收過程本文檔共137頁；當(dāng)前第81頁；編輯于星期二\17點11分從E1經(jīng)受激吸收躍遷到E2的原子數(shù)有式中的為外來光的光場單色能量密度。其他參數(shù)意義同自發(fā)輻射：n1為某時刻高能級E1上的原子數(shù)密度（即單位體積中的原子數(shù)），dn2表示在dt時間間隔內(nèi)由E1受激吸收躍遷到E2的原子數(shù)，“－”被去除表示E2能級的粒子數(shù)密度增加B12稱為愛因斯坦受激吸收系數(shù)，簡稱受激吸收系數(shù)。本文檔共137頁；當(dāng)前第82頁；編輯于星期二\17點11分受激吸收（躍遷）幾率W12：物理意義：單位時間內(nèi)，在外來單色能量密度為的光照下，E1能級上因為受激吸收躍遷到E2能級上的粒子數(shù)密度占處于E1能級總粒子數(shù)密度的百分比。受激吸收的躍遷幾率決定于受激吸收系數(shù)與外來光單色能量密度的乘積。本文檔共137頁；當(dāng)前第83頁；編輯于星期二\17點11分1.3.3自發(fā)輻射、受激輻射和吸收之間的關(guān)系在處于熱平衡的絕對黑體空腔內(nèi)的原子系統(tǒng)，各能級上的原子數(shù)不變，輻射與吸收總數(shù)相等，則有如下關(guān)系：由波爾茲曼分布定律可知：自發(fā)輻射光子數(shù)受激輻射光子數(shù)受激吸收光子數(shù)（1）（2）本文檔共137頁；當(dāng)前第84頁；編輯于星期二\17點11分由此得到熱平衡空腔得單色輻射能量密度為結(jié)合方程（1）、（2）式可得（3）（4）本文檔共137頁；當(dāng)前第85頁；編輯于星期二\17點11分可以得到三個愛因斯坦系數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系:與普朗克理論所得的黑體單色輻射能量密度公式相比較本文檔共137頁；當(dāng)前第86頁；編輯于星期二\17點11分一點討論如果，則有當(dāng)高低能級的簡并度相同時，受激輻射與受激吸收系數(shù)相等。外來光子被吸收和激發(fā)受激輻射的機會相同。但是一般講高能級的簡并度總比低能級的簡并度要高，因此受激輻射比受激吸收系數(shù)要小。本文檔共137頁；當(dāng)前第87頁；編輯于星期二\17點11分自發(fā)輻射的出現(xiàn)隨頻率的三次方而增加，波長越短，自發(fā)輻射的幾率越大。愛因斯坦系數(shù)間的基本關(guān)系，雖然是借助空腔熱平衡這一過程得出的，但它們普遍適用。在折射率為

的介質(zhì)中，自發(fā)輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)之間關(guān)系為本文檔共137頁；當(dāng)前第88頁；編輯于星期二\17點11分1.3.4自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率同理，受激輻射的光功率體密度某時刻自發(fā)輻射的光功率體密度受激輻射光功率體密度與自發(fā)輻射光功率體密度之比為：本文檔共137頁；當(dāng)前第89頁；編輯于星期二\17點11分對于平衡熱輻射源，則有：以溫度T=3000K的熱輻射光源，發(fā)射的波長為500nm例：本文檔共137頁；當(dāng)前第90頁；編輯于星期二\17點11分激光光源打破了熱平衡且單色能量密度比普通光源大1010倍，受激輻射光功率體密度與自發(fā)輻射光功率體密度之比為普通光源主要是自發(fā)輻射，而激光光源主要是受激輻射。本文檔共137頁；當(dāng)前第91頁；編輯于星期二\17點11分課后作業(yè)：

P28:1,3，4,5本文檔共137頁；當(dāng)前第92頁；編輯于星期二\17點11分§1.4光譜線增寬

光譜的線型和寬度與光的時間相干性直接相關(guān)，對激光器的輸出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影響。1.4.1光譜線、線型和光譜線寬度用分辨率極高的攝譜儀拍攝出的每一條原子發(fā)光譜線都具有有限寬度，決不是單一頻率的光光譜片本文檔共137頁；當(dāng)前第93頁；編輯于星期二\17點11分就每一條光譜線而言，在有限寬度的頻率范圍內(nèi)，光強的相對強度也不一樣。設(shè)某一條光譜線的總光強為I0，頻率附近單位頻率間隔的光強為，則頻率附近單位頻率間隔的相對光強表示為線型函數(shù)f(v)

：單位頻率間隔的相對光強分布，稱作光譜線的線型函數(shù)。本文檔共137頁；當(dāng)前第94頁；編輯于星期二\17點11分線型函數(shù)的歸一化條件：相對光強之和（積分）為1圖(1-10)光譜的線型函數(shù)本文檔共137頁；當(dāng)前第95頁；編輯于星期二\17點11分光譜線寬度：相對光強為最大值的一半處的頻率間隔，即：式中各頻率處光強滿足：光譜曲線是可以用實驗方法測量的本文檔共137頁；當(dāng)前第96頁；編輯于星期二\17點11分考慮光譜線線型的影響后，在單位時間內(nèi)，對應(yīng)于頻率 間隔，自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收的原子躍遷數(shù)密度公式分別為自發(fā)輻射受激輻射受激吸收本文檔共137頁；當(dāng)前第97頁；編輯于星期二\17點11分總的自發(fā)輻射原子數(shù)密度總的受激輻射原子數(shù)密度總的受激吸收原子數(shù)密度單位時間內(nèi)總原子數(shù)密度與外來光的單色能量密度及光譜的線型函數(shù)有關(guān)計算總受激輻射原子數(shù)密度分為兩種情況討論：本文檔共137頁；當(dāng)前第98頁；編輯于星期二\17點11分總的受激輻射原子數(shù)密度此時受激輻射躍遷幾率為:同理受激吸收躍遷幾率為:（1）入射光比被激原子發(fā)光譜線寬度小很多本文檔共137頁；當(dāng)前第99頁；編輯于星期二\17點11分總的受激輻射原子數(shù)密度此時受激輻射的躍遷幾率為:同理，受激吸收躍遷幾率為：（2）入射光比被激原子發(fā)光譜線寬度大很多本文檔共137頁；當(dāng)前第100頁；編輯于星期二\17點11分(1)當(dāng)正負(fù)電中心距離r作頻率為的簡諧振動時，該原子輻射頻率為的電磁波，電磁波在空間某點的場矢量為：由于原子在振動的過程中不斷地輻射能量，則上式應(yīng)寫為：1.4.2自然增寬經(jīng)典理論：所有電磁波的輻射都是有原子的電荷振動而產(chǎn)生，原子看作由一個負(fù)電中心和一個正電中心所組成的電偶極子。本文檔共137頁；當(dāng)前第101頁；編輯于星期二\17點11分圖(1-12)電偶極子輻射場的衰減振動本文檔共137頁；當(dāng)前第102頁；編輯于星期二\17點11分(2)衰減振動不是簡諧振動，因此原子輻射的波不是單色的，譜線具有有限寬度。對上式進行傅里葉變換，結(jié)合考慮到t<0時U(t)=0，則上式寫成：

：本文檔共137頁；當(dāng)前第103頁；編輯于星期二\17點11分其中為譜線的中心頻率，A為比例常數(shù)，稱為自然增寬的線型函數(shù)。光強在譜線范圍內(nèi)隨頻率有一個分布，如以表示在頻率v附近單位頻率間隔的相對光強隨頻率的分布，則有：本文檔共137頁；當(dāng)前第104頁；編輯于星期二\17點11分(3)自然增寬:作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬。由線型函數(shù)歸一化條件可得：當(dāng)時，；當(dāng)和時，本文檔共137頁；當(dāng)前第105頁；編輯于星期二\17點11分所以，原子譜線的半值寬度即自然增寬為，如圖(1-13)所示。圖（1-13）洛侖茲線型函數(shù)我們也可以用自然增寬來表達(dá)光譜線型函數(shù)（洛侖茲線型函數(shù)

）：本文檔共137頁；當(dāng)前第106頁；編輯于星期二\17點11分（1）碰撞增寬是考慮了發(fā)光原子間的相互作用造成的，碰撞使原子發(fā)光中斷或光波位相發(fā)生突變，即使發(fā)光波列縮短，如圖(1-15)。用表示。1.4.3碰撞增寬圖（1-15）碰撞增寬的形成機理本文檔共137頁；當(dāng)前第107頁；編輯于星期二\17點11分（3）當(dāng)發(fā)光原子同時具有碰撞增寬(與氣體壓強P成正比)和自然增寬時，可以證明所得的線型仍為洛侖茲線型，其線寬為兩者之和，即：（2）同理，可由傅立葉變換求出由碰撞增寬引起的譜線線型函數(shù)：——洛倫茲線型本文檔共137頁；當(dāng)前第108頁；編輯于星期二\17點11分（4）氣體介質(zhì)中，碰撞增寬與氣壓成線性關(guān)系，簡單地表示為：式中稱為壓力加寬系數(shù)，與氣壓無關(guān)。若工作物質(zhì)由工作氣體（a）和輔助氣體（b，c，…)組成，則本文檔共137頁；當(dāng)前第109頁；編輯于星期二\17點11分(1)多普勒效應(yīng)：光源和接收器相對運動，接收器收到的光頻不等于原頻率。1.光的多普勒效應(yīng)一般情況下，上式取一級近似可得：1.4.4多普勒增寬(2)設(shè)光源與接收器在兩者連線方向的相對速度為，則接收到的光的頻率為：本文檔共137頁；當(dāng)前第110頁；編輯于星期二\17點11分(3)若在介質(zhì)中傳播時，光速應(yīng)為，則此時的頻率可寫成：2.多普勒增寬(1)如圖(1-16)所示，氣體放電管中一個靜止原子的發(fā)光頻率為，原子的運動速度為，在z方向的分量為，則接收器接收到的頻率為：圖(1-16)發(fā)光原子相對接收器的運動本文檔共137頁；當(dāng)前第111頁；編輯于星期二\17點11分(2)現(xiàn)討論大量同類原子的發(fā)光引起譜線頻率增寬。只討論傳播方向為＋z的光，設(shè)單位體積內(nèi)的原子數(shù)為n，則具有速度分量為的原子數(shù)為：速度分量為的原子數(shù)占總數(shù)的百分比為：本文檔共137頁；當(dāng)前第112頁；編輯于星期二\17點11分又由于：(3)由于頻率與速度分量有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此有：所以有：——多普勒增寬的線型函數(shù)本文檔共137頁；當(dāng)前第113頁；編輯于星期二\17點11分當(dāng)和時，多普勒增寬為

為高斯型線型函數(shù)。其曲線如圖(1-17)所示。圖(1-17)高斯線型函數(shù)顯然，當(dāng)時，線型函數(shù)取最大值為：本文檔共137頁；當(dāng)前第114頁；編輯于星期二\17點11分多譜勒增寬：多普勒增寬只決定于氣體的熱力學(xué)溫度和原子量。舉例：設(shè)T=400K氦氖激光器的0.6328um激光：CO2激光器的10.6um激光：自然增寬遠(yuǎn)小于碰撞增寬和多普勒增寬，碰撞增寬在氣體壓強減少時隨之減小，在低氣壓時多譜勒增寬起主要作用。本文檔共137頁；當(dāng)前第115頁；編輯于星期二\17點11分1.自然增寬和碰撞增寬中每一個原子所發(fā)的光對譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)，且這個貢獻(xiàn)對每個原子都是相同的。這種增寬為均勻增寬。其線型函數(shù)為洛倫茲線型。2.多普勒增寬中，各種不同速度的原子對中不同頻率有貢獻(xiàn)。不同原子的作用是不同的，這種增寬叫非均勻增寬。其線型函數(shù)為高斯分布函數(shù)。1.4.5均勻增寬和非均勻增寬線型本文檔共137頁；當(dāng)前第116頁；編輯于星期二\17點11分3.這兩種線型函數(shù)都是“鐘形”曲線，但它們大不相同。如圖(1-18)所示。圖(1-18)兩種線型函數(shù)的比較固體中也有均勻和非均勻增寬，均勻增寬主要是自然增寬，非均勻增寬則是晶體中的位錯、晶格變形、缺陷等各種原因。本文檔共137頁；當(dāng)前第117頁；編輯于星期二\17點11分小結(jié)：光譜線的加寬機制和類型1.均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個發(fā)光粒子都是等同的。由于均勻加寬對每個原子的輻射的影響是相同的，因此在均勻加寬的影響下，每個原子都具有相同的輻射特性，即每個原子都以整個線型函數(shù)的形式輻射光子如：自然加寬、壽命加寬、壓力加寬、熱聲子加寬2.非均勻加寬：由于某種物理因素的影響，使得發(fā)光原子有不同的表觀中心頻率，使總的輻射譜線加寬。3.綜合加寬：均勻加寬與非均勻加寬同時存在如：多普勒加寬、晶格隨機缺陷加寬本文檔共137頁；當(dāng)前第118頁；編輯于星期二\17點11分從譜線加寬角度看：對均勻加寬，每個粒子的自發(fā)輻射具有完全相同的線型函數(shù)、線寬、中心頻率。對非均勻加寬，介質(zhì)中的發(fā)光粒子可以分類，可探測到不同的中心頻率。對均勻加寬，整個介質(zhì)的線型和線寬與單個粒子相同，對非均勻加寬，某個離子的線型和線寬不等于整個介質(zhì)的譜線加寬和線寬。均勻加寬和非均勻加寬的本質(zhì)差別本文檔共137頁；當(dāng)前第119頁；編輯于星期二\17點11分對均勻加寬，不能把介質(zhì)線型函數(shù)上的某一特定頻率與介質(zhì)中某類離子建立聯(lián)系和對應(yīng)關(guān)系。對非均勻加寬，某類發(fā)光粒子僅對光譜線范圍內(nèi)某一特定頻率有貢獻(xiàn)，對其他頻率無貢獻(xiàn)。當(dāng)某一頻率的準(zhǔn)單色光與介質(zhì)相互作用，對均勻加寬，入射光場與所有的粒子發(fā)生完全相同的共振相互作用，所有粒子具有相同的受激躍遷幾率和極化強度。對非均勻加寬，只有表觀中心頻率與入射光場頻率相應(yīng)的某類粒子發(fā)生相互作用，不同粒子的極化情況也不同。均勻加寬和非均勻加寬的本質(zhì)差別本文檔共137頁；當(dāng)前第120頁；編輯于星期二\17點11分實際的光譜線型是均勻增寬線型和非均勻增寬線型的迭加。綜合線型比較復(fù)雜。*1.4.6綜合增寬

習(xí)題P28:11，12，13作業(yè)本文檔共137頁；當(dāng)前第121頁；編輯于星期二\17點11分《激光原理與技術(shù)》前文回顧(1)光與物質(zhì)的作用自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收（2）愛因斯坦關(guān)系式普通光源激光受激吸收幾率=受激輻射幾率波長越短，自發(fā)輻射幾率越大本文檔共137頁；當(dāng)前第122頁；編輯于