第一章激光基础知识 - 第19章激光和固体的量子理论

受激吸收
外来光可以激发原子，也有可能被原子吸收，使 原子从E1E2
单位体积中单位时间内因吸收外来 光而从 E1E2 的原子数密度：
dN12 , T N1 dt 吸收
d N 12 写成等式： B12 , T N1 dt 吸收
第二章 激光的产生与特性
粒子的能级与能级跃迁 激光产生的条件 激光器 激光器的增益和损耗 激光的特性
第一节 粒子的能级与能级跃迁
一、原子能级
原子中所有电子的动能与势能之和就是原子 的能量.原子的能量也是量子化的。将原子可能具 有的不连续能量值按大小顺序排列，称为原子的 能级。
原子从一个能级跳到另 一个能级的过程称为原 子的跃迁。
还有化学、 热、核激励等
放电管内有大量电子、离子和原子 频繁碰撞和交换能量，形成粒子数反转
有两个基本过程： 1．电子和原子间碰撞而交换能量 电子动能转化为原子内能 2．原子与原子间碰撞而交换能量
条件 混合气体的原子必须具有互相靠近的能级
又称为共振转移、碰撞转移
3、光学谐振腔 一旦“粒子数反转” 如He-Ne 即可“光放大” 但实际上“一次”很微弱（原因？）
2、激励系统
美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红 宝石固体激光器. 从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级 上的原子激发到高能级上去, 这个过程叫做激励 （也叫泵浦）。
E3
。
激发态
. E
2
亚稳态
E1
.
。
基态
红宝石中铬离子能级示意图
原子激发的几种基本(激励)方式： 放电激励（气体激光器） 光激励（固、液体激光器）
各个原子自发辐射的光是非相干光 自发辐射发出的光子的频率为：
v=
EH - EL h
式中h为普朗克常数6.624×10-３４J· s。
自发辐射
设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数 单位体积中dt时间内，从E2 E1自发辐射的原子数：
dN 21 A21N 2 dt 自发
粒子数的正常分布
E2 E1
..... N 2
E2
E1
. . . . . . . . . N2 . . . .
E2 E1
。 。 N1 。 。 。
粒子数反转分布
产生激光的基本条件
为何要粒子数反转？
从 E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射 过程，也可能引起吸收过程。
dN 21 B21 , T N 2 W21 N 2 dt 受激
为荧光寿命或能级 寿命 一般原子或离子： 分子：1ms
与跃迁概率成反比
• 受激吸收
原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃 迁的过程称为受激吸收。 特点：不是自发产生的，必须有外来光子的 “激励”才会发生，并且外来光子的能量应等于原 子跃迁前后两个能级间的能量差（ hv = EH - EL ）， 才会发生受激吸收。
dN 21 ( , T ) N 2 dt 受激
受激辐射
dN 21 写成等式： B21 , T N 2 dt 受激
B21受激辐射系数
令 W21 = B21· （，T）则
dN 21 W21N 2 dt 受激
固体激光器 半导体激光器 染料激光器
常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇 铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工 作物质较贵，结构制造复杂。
半导体激光器的种类很多。不同类型的工作 物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不 同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱 结构复杂，单色性差，但其重量轻、耗电省。
1m长
仅增10-2量级
怎么办？ 选频、选方向！（抑制其它频率、方向的光） 采用 光学谐振腔：
由激活介质（激励能源）和反射镜构成
要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。
在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。
E2
N2 h N1
B12 受激吸收系数
E1
受激吸收
令
d N 12 W12=Ｂ12 ( ，T) 则： W12 N1 dt 吸收
12 单个原子在单位时间内发生吸 其意义： W 收过程的概率
或：在能量密度为（，T）的光照射下，单位时间内产生受激吸收的原子 数密度在E1能级的总原子数密度中所占的比例。
1064nm 800~6000nm 700~1000nm
30~100ps
30~100ps 2~10ps 10fs~100fs
Nd: YAG
Ho: YAG Er: YAG 变频晶体
1064nm
2120nm 2940nm 720~800nm
100ns～250μs
100ns～250μs 100ns～250μs 50ns～100μs
意义？
单位时间内在能量密度为（，T）的光照射下，跃迁到 低能级E1的原子数密度在E2能级总原子数密度中所占的比例。 或：W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
Ａ21 与W21不同：某能级系统Ａ21为常数
W21与（、T）有关,不为常数
第二节
激光的产生
一、产生激光的基本条件
激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。
固体激光器 液体激光器
半导体激光器
自由电子激光器
连续输出 按输出方式分： 脉冲输出
2、激光器的分类
（按工作物质分类）
气体激光器
气体激光器，按工作物质的性质又分为 原子激光器、分子激光器和离子激光器。 波谱范围广，能连续输出，单色性、方向 性比其它类型的激光器好。且制造方便、 成本低、可靠性高。
激 光 器
N2
Ａ21 自发辐射系数
无外界影响
E2 E1
h
N1
自发辐射
Ａ21 的物理含义：
单位时间内发生自发辐射的原子数密度在 处于高能级E2的原子数密度中所占的比例
或每一个处于E2能级的原子在单位时间内 发生自发辐射过程的概率。
原子被外界激发后，自发辐射发出的光称为荧光 实验表明：外界激发停止荧光强度按指数规律衰减
注：Nd: YAG 掺钕钇铝石榴石
Nd: YLF 掺钕氟锂钇
1、工作物质
把激光器中能产生激光的物质称为工作物质。 • 常用固体激光工作物质有掺铬的红宝石，掺钕 或掺钬、掺铒的石榴石。掺铬的红宝石晶体是比较 典型的三能级系统，其工作物质的主要成分是氧化 铝（Al2O3），铬离子具有E0、E1和E2三个能级。 E3 E2 E3 (10-8s) E2
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。
爱因斯坦在 1９１７年从理论上得出：
B21 = B12
• 受激辐射
处于高能级的原子在自发辐射之前，受到一个 能量为的光子的“诱发”后，可释放出一个与诱发 光子特征完全相同的光子而跃迁到低能级，这个过 程称为受激辐射。 持续的受激辐射形成的光束就叫做激光。
通过给物质提供 能量，可以使较多的 原子跃迁到高能级， 如果物质具有亚稳态 能级，就能实现粒子 数反转。
粒子数反转
二、激光器的组成和常见激光器
常用激光器由三部分组成：

工作物质 泵浦源 光学谐振腔
激励能源
工作物质
激光
M1
谐振腔
M2
激光器结构示意图
激光器的分类 气体激光器 按工作物质分 ：
光学谐振腔
偏离轴线方向的光子逸出腔外
M1
M2
沿轴线方向的光子，在腔内来 回反射，产生连锁式放大
M1
M2
在一定条件下，从部分反射镜 射出很强的光束—--激光
M1
全反射镜 谐振腔对光束方向的选择性
M2
部分反射镜
谐振腔可以将其它方向和 频率的光子抑制住，而使某一 方向和频率的光子享有最优越 的条件进行放大。
最常用的是平行平面腔。
光学谐振腔的作用：
1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；
2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。
激励能源

激活介质 放大作用

激光
全反射镜
部分反射镜
正反馈作用 使光仅沿轴线方向振荡！
光学谐振腔对光的方向选择性
只有与反射镜轴向平行的一定波长（频率）的 光能在激活介质内来回反射（持续振荡），雪崩式 地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部 分反射镜面输出，得到激光。
(10-3s)
E3 E2
h
E1
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4 E3 E2
(10-8s) (10-3s)
E4 E3 E2
h
E1
E1
• 气体的工作物质有CO2、N2、He-Ne等分子、原子、 或离子气体，及ArF、XeCl、KrF等准分子气体。 有单种气体的激光器，也有些激光器为了加强能 量转换，掺入一些辅助气体。 • 液体的工作物质有无机染料液体和有机染料液体， 常用的有机燃料物质有若丹明、荧光素、香豆素、 吖啶橙等，将这种染料溶于适当的液体中，产生 激光作用的是有机染料分子。
N2 E2
( E1 E2 ) / kT
已知 E2 E1
则 N1 N 2 ，表明处于低能级的电子数大于高能 级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 N 。 2 N1 叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反 转。
E2
பைடு நூலகம்
。 。 。 。 。 。 。 。 E1 。 N1 。 。 。 。
利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围 内连续可调的激光。
3、医用激光系统的主要特征
激光类型
氩离子 氪离子 氦－氖 二氧化碳
波
长
典型脉冲 持续时间
连续 连续 连续 连续或脉冲
激光类型
XeCI XeF KrF ArF
波
308nm 351nm 248nm 193nm
长
典型脉冲 持续时间
20~300ns 10~20ns 10~20ns 10~20ns
外来光子能量： h E2 E1
受激辐射
E2
各个原子受激辐射的 光是相干光
N2
h
N1
全同光子
如此下去可实现“光放 大”
E1
与外来光子全同：频率、相位、振动方向和 传播方向均相同
设 （，Ｔ）表示温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔内外来光的能量密度，则： 单位体积中单位时间内，从E２ E１受激辐射的原子数密度
488/514nm
531/568/647nm
633nm 10.6μm
染料激光器
二极管激光器 红宝石激光器 Nd: YLF
450~900nm
670~900nm 694nm 1053nm
连续或脉冲
连续或脉冲 1～250μs 100ns～250μs
Nd:YLF
Nd:YAG 自由电子激光 Ti:蓝宝石
1053nm
关于如何“选频”
（1）谱线宽度
E2 E1 E2 E1 0 h 实际上，不止一种频率！ 谱线有一定宽度。
设氦氖激光器Ne原子的 0.6328 m受激辐射光的频率范围
E2 E1
I ( 0 )
I ( 0 ) 2
N2 N1
I ( 0 )
h
0
1.3109 Hz 2 c c 2 小，单色性好！
激发态
基态
二、光辐射及其三种基本形式
1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射” 理论是现代激光系统的物理学基础。 原子中任何一个电子能量变化，原子就由一 个能级跳变到另一个能级，称为能级跃迁。
• 自发辐射
处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完 全自发地向低能级跃迁同时释放光子的过程叫做 自发辐射。 特点：这类光源中各原子的跃迁是彼此独立 地、互不相干地进行的。


c
引起谱线加宽的原因：
原子间碰撞引起
自然加宽、压力加宽、多普勒加宽 与机械波类似，波源运动，有多普勒效应 原子无规热运动，同时发光 对于He-Ne激光器： 632.8nm
10 2
光源运动 光的多普勒效应
9 9 1 . 5 10 MHz 或 1 . 3 10 MHz 室温时频率间隔： D
dN12 B12 , T N1 W12 N1 dt 吸收
产生激光必须：
dN 21 dN12 dt 受激 dt 吸收
因
B21=B12

W21=W12
必须 N2 >N1 （ 粒子数反转）
产生激光的基本条件
实现粒子数反转的必要条件
在通常状态下，三种跃迁同时存在，哪种跃迁 占优势取决于高低能级的原子数。
在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻 尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多，光 通过物质时，受激吸收占优势。
粒子数反转
粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
N1 / N 2 e
N i Ce
Ei / kT
N1 E1