光电子论文-附思维导图

激光原理研究及应用

一、激光的基本知识

1、什么是激光

激光是二十世纪六十年代出现的重大科学技术成就之一。世界第一台激光器是固体激光—红宝石激光器,问世于1960年7月。世界第一台氦氖激光器是1961年诞生的。

激光的出现深化了人们对光的认识。由于它有许多其它光源无法比拟的特点,所以二十多年来,激光技术以惊人的速度得到发展,其应用几乎进入了所有的技术领域和国民经济的各个部门。激光技术列在我国“六五”计划中,已作为国家重点攻关项目之一。可以预料,激光技术将以更快的速度向前发展,其应用领域会越来越广泛。

2、激光的产生

大家知道光和我们生活的关系十分密切,必须靠光作用到我们的眼睛, 才能看见东西,这是普通光。如太阳、电灯等发且的光。普通光源都是向所有的方向发光,虽然光强可能会随方向而变化,但除非采取特别的方法,一般是不能得到在某一方向指向性优越的光。光和无线电波一样是电磁波,以每秒大约30万公里的速度直线传播。

光波在空间的传播犹如水面上的水波向前传播一样。人们眼睛所能看见的光波长大约3900埃到了7600埃。实验事实说明光不但具有波动性,还具有粒子性,即光又是永远运动着的微粒子,这种微粒子在光学中叫做光子。普通光源的发光机理是这样的：组成光源的物质原子总是在永不停息的运动中,特定的原子的能量只能取特定的某些分立值一能级,原子在通常情况下处在最稳定状态即能级最低的状态(称为基态,而能量较高的状态称为激发态)。当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时,将能量差以光的形式放出。这个发光过程叫做自发辐谊寸。还有这样的发射：如霓红灯是在一定形状的玻璃管内,充人低压惰性气体,在电极间加以高压,使之放电,激发气体原子。被激发的原子,跃迁回能量较低的状态时便发出许多频率即许多颜色的光。这种发光现象也叫做自发辐射。在自发辐射中,每一个发光的原子都是独立的发光体,他们彼此之间互无联系,因而它们的发光是杂乱不齐的。

与此相对，若用光照射激发态原子激发态原子会跃迁到低能级上,同时放出光子,这

个光子与激发它的尤子完全一样,这叫受激发射。通过受激发射,一个光子变成两个一模一样的光子,光得到了放大。然而,在通常情况下,还存在着低能级上的原子吸收光子跃迁到高能级的过程,即光的吸收过程,光的吸收过程使光减弱。而且吸收过程总是占优势, 所以在寻常的实验工作中总是观察到吸收现象,而观察不到受激发射现象。要想实现受激辐射得到光放大,必须使处于高能级的原子数目超过处于低能级上的原子数目, 即粒子数反转。若有足够的能量的光子影响可产生原子的受激辐射,这样一个人射光子可产生二个一模一样的光子,又在这两个光子影响下产生四个,然后四个变八个,八个变十六个……从而产生光的雪崩放大,如果这个放大能够持续去,我们就可获得受激辐射产生的光一激光。

二、激光的基本原理

由上述激光产生的物理过程可以看到,为使大量原子集团产生受激发光,必须具备一些特殊条件。正如电子振荡电路一样,当用某种方法产生的振荡受电阻等影响而衰减时,为使振荡继续产生,必须从电源补充能量或者从输出端反馈一部分功率以维持振荡继续下去。受激发光产生的特殊条件概括起来有以下三个：激励能源、工作物质、谐振腔。

这三方面构成一个激光器。

前面谈到由外界输人能源通过激励能使粒子数反转,这就创造了受激辐射的前提。

但还必须选取合适的工作物质,这些物质具有在外界强激励下容易实现粒子数反转的特点。工作物质原子受到激励时,有些处于激发态的原子会自发地发射出光子来,一他们的发射方向可以是任意的。可是当这样的工作物质处于由两个反射镜构成的谐振腔中时,情况就不一样了。这时凡是不沿谐振腔轴的方向的光子,很快地通过谐振腔的透明的侧面逸出腔外,与腔里的原子不再有什么接触了。但是沿轴线方向的光子可以在腔里继续前进,并经过两个反射面的反射不断地往返运行,他们每次经过工作物质,都由于受激发射而得到放大,因而光变得越来越强。若将两面反射镜中一面作成全反射的,另一面作成半反射的,则当光每次到达半反射镜时,其中一部分被反射回去,另一部分透过反射镜输出。当工作物质对光的放大作用能够抵消输出和其他损耗时,在谐振腔内就保持一定的光强同时又不断输出激光。

这就发光现象与光源内部原子运动状态有关,所以首先谈一下原子。

1、原子的能级：

能级的概念是作为我们研究发光现象的基础。原子由原子核和电子构成,其内能不是

连续变化的。它所允许具有的能量数值是一些不连续的量,它们是一挡一挡一级一级地分开的。我们把一挡一挡原子能量称为原子的能级。用图来表示就是原子的能级图。下

图所示的是氢原子能级图。最低的能级E0称为基态,

其他能级称为高能级,称为激发态。这里要指出,不是

基态原子内能为零,而是说由于电子运动“轨道”的变

化所引起的原子内能的变化是从这里算起的。

2、原子数目按能级分布

在正常情况下,能级较低的能级上原子数目多,

能量较高的能级上原子数目要少一些。

基态的原子数最多。这种分布是波耳兹曼分布律,通常称为粒子正常分布。下图2分别示出原子数分布情况和分布曲线。由图可看出，低能级E1上的原子数N1比高能级E2的原子数N2大。

3、能级跃迁

A、激发

一般原子系统中，绝大多数的原子不是处于低能级的基态，而是处于高能级的激发状态的原子数目，相比之下是非常少的。例如：在室温（27～28℃）的情况下，红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的1030倍，因此，红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用，首先必须把这些基态上的粒子激发到高能级去，从低能级到高级去的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程，称做光的受激吸收。激发的方法很多，主要是给基态粒子外加一定能量，例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等。基态粒子吸收能量后即被激发，例如红宝石激发器就是脉冲氙灯照射的方法施加光能,使铬离子从基态激发到高能级的激发态上。又如氦－氖激光器通过电子与氦原子碰撞，使氦原子获得能量。氦原子通过碰撞又将能量传给氖原子，氖原子获得能量后从基态