激光原理ppt课件

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实用激光器中，主要
构件的大体情况如下：
1．激光工作物质
激光
谐振腔
必须能在该物质中实 现粒子数反转。可以是 气体、液体、固体或半
工作物质
反
射
激励源
镜
导体。现已有工作物质
近千种，可以产生波长
从紫外到远红外波段 的激光。
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2. 激励源（泵）
为使工作物质中出
现粒子数反转，必须用 一定的方法激励原子体 激光
个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简
单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，
粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或
辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差
△E，频率为 =△E/h（h为. 普朗克常量）。
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过程前
E2
E2
E1
•E1
受激吸收
过程后 •
处于较低能级的粒子在受到 外界的激发，吸收了能量时， hν 跃迁到与此能量相适应的较 高能级上去。称为受激吸收。
了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展, 如全息
光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还
与当今的重点产业——信息. 产业密切相关。
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§9-1 激光原理
一．物质与光相互作用的规律 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观 粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。
微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一
地获得放大。
受激辐射的起始光信号来源于自发辐射，而自发
辐射的光包含较大的波长范围，这样较大范围的波长
都有可能被放大，从而导致了非单一波长的光输出。
在反射镜上镀一层对一定波长光具有反射率的薄膜，
使只有该波长的光才能在谐振腔内来回反射，而其它
波长的光在经过一次反射镜.时就逸出腔外。
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பைடு நூலகம்
§9-3 激光器的种类
现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各
样的激光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转
方式、输出波长范围等几方面来进行分类。
一．按工作物质分类
1. 固体激光器 工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG） 等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入
少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺
谐振腔
工作物质
系，使处于高能级的粒 子数增加。用气体放电 的办法激发物质原子，
反
射
激励源
镜
称为电激励，也可用脉
冲光源去照射工作物质，
称为光激励，还有热激 励，化学激励等。为了不断
地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽
运到高能级上去， 激励源形. 象地称为泵。
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3．谐振腔 所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对 面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光 几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射 出去，以使激光可透过这块镜子而射出。
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当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受 激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加， 受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在 较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。 这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。 要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子 数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡 态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒 子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光 的必要条件。
它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别 适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、 DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。
4. 液体激光器 常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染 料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体 激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调， 且覆盖面宽。
光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子 发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物 质作得无限长是不现实的。
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反射镜的一个作用是使光沿工作物质轴线在反射
镜间来回反射，每经过一次工作物质光就得到一次放
大，被反射回到工作物质的光，继续诱发新的受激辐
射，光在谐振腔内来回振荡，造成连锁反应，雪崩式
这两个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐 射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光
信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大
的光，就是激光。
二．粒子数反转 受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在
1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光
源中的粒子，产生受激辐射. 的概率极小。
入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬
离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子
等。一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使
用方便，输出功率大的特点.。
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2. 气体激光器 工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是 激光输出波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是通过 气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长 为632.8nm（红光）。 气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光 束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目 前品种最多应用最广泛的激光器。 3. 半导体激光器 以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注 入式、电子束激发、光激发. 、雪崩式击穿等。 12
E2
2hν （E2-E1）/h的光子入射时，
E1 •
粒子也会以一定的概率，迅
受激辐射
速地从能级E2跃迁到能级E1，
同时辐射一个与外来光子频
率、相位、偏振态以及传播
方向等都相同的光子，这个
过程称为受激辐射。
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可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有 一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的 原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，
过程前
过程后
E2 •
E2
hν
E1
E1
•
自发辐射
处在高能级上的粒子，如存在
着可以接纳它的较低能级，即
使没有外界的作用，也有一定
的概率，自发地从高能级（E2）
向低能级（E1）跃迁。同时辐
射出能量是E2-E1的光子，称为
自发.辐射。
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过程前 E2 •
hν E1
1917年爱因斯坦指出，除自
过程后 发 辐 射 之 外 ， 当 频 率 为 ν=
第九章 激光
激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源—
—激光器发出的光。激光一词的本意是受激辐射放大
的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一
台红宝石激光器, 1961年9月中国科学院长春光学精密
机械研究所制成了我国第一台激光器。此后 , 在激光
器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得