光的自发辐射 受激辐射、光放大
激光原理第七版答案
激光原理第七版答案
激光，全称为“光电子激发放射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生是通过一系列的物理过程实现的，其中包括受激辐射、自发辐射和受激吸收等过程。
激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。
首先，受激辐射原理是激光产生的基础。
当原子或分子处于激发态时，它们会受到外界光子的刺激而发射出与激发光子同频率、同相位和同方向的光子，这种现象就是受激辐射。
在一个受激辐射过程中，一个光子刺激原子或分子从激发态跃迁到基态，同时激发出一个与刺激光子完全一样的光子。
这些光子在原子或分子中来回反射，形成了光的放大效应。
其次，光放大原理是激光产生的关键。
在激光器中，有一个放大介质，当受激辐射发生时，会引起放大介质中光子数目的急剧增加，从而形成激光。
这种放大效应是通过受激发射和自发辐射相互作用而实现的。
放大介质可以是气体、固体或液体，其选择取决于激光器的具体应用。
最后，谐振腔原理是激光产生的空间条件。
谐振腔是由两个或
多个反射镜构成的，其中至少有一个是半透镜。
这些反射镜的作用是使光在腔内来回反射，并在放大介质中形成光的放大效应。
谐振腔中的光子会在腔内来回传播，直到其中的光子数目增加到一定程度，形成激光。
综上所述，激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。
这些原理相互作用，共同促成了激光的产生。
激光在现代科技中有着广泛的应用，包括激光医学、激光通信、激光加工等领域。
因此，对激光产生原理的深入理解，对于推动激光技术的发展具有重要意义。
固体物理简介
固体物理简介
11
自
E2
发
自 发
辐
辐 射
射
E1
系
(
dN21 dt
)自发
N2 A21
数
受
E2
激
吸
受 激 吸 收
收
E1
系
( dN12 dt
)吸收
k N1 I W12
数
受
激
E2
受 激
辐
辐
射
E1
射 系
(
dN21 dt
)受激
k N2I
B21
数
光波的频率 相位偏振态
自发 辐射
无关
受激 辐射
全同
一般情况下 W12 B21
普通光源一自发辐射 激光光源一受激辐射
一.激光的特性及分类
1. 高方向性 激光发散角极小，可小到 10-4 弧度， 可用于定位，准直，导向，测距等。
比如：投射到月球（38万公里）后，光斑直径仅约2公里 测地球—月球距离精度达几厘米
固体物理简介
3
2. 高单色性
例如：氦－氖激光器的单色性为
< 10-17 m
Ａ21 自发辐射系数
Ａ21 —— 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率
固体物理简介
7
2. 受激吸收
若原子处在某个能量为E1的低能级，另有某个能量
为E2的高能级，当入射光子的能量 h = E2 E1 时，原
子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，
这个过程 —— 受激吸收
设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1(瞬时功率可达 1014 W )
固体物理简介
5
➢ 波长范围： 极紫外 ─ 可见光 ─ 亚毫米
激光的产生与特点
激光的产生与特点一、激光的产生激光的英文名字Laser，所以又称镭射，是受激辐射引起的光放大。
1.三种光辐射过程（1）自发辐射是指高能态粒子自发地向低能态跃迁。
（2）受激辐射是指高能态粒子在外来光子的激发下向低态跃迁。
（3）受激吸收是指低能态粒子吸收外来光子能量向高能态跃迁。
在激光器中是受激辐射，即高能态粒子在外来光子激发下向低能态跃迁，其频率、相位、偏振状态与外来光子相同。
只有受激辐射占优势时，外来光放大以后，才能发出激光，如高能态粒子数为N2，大于低能态粒子数N，时（即N，>N，时），才能把外来光放大，发出激光。
2.必要条件和充分条件产生激光的必要条件是要有使低能态粒子跃迁的激励过程，又称泵浦过程。
产生激光的充分条件是要有小损耗的谐振腔。
3.产生激光的三个条件1）实现粒子数反转。
2）满足阈值条件。
3）满足谐振条件。
泵浦过程实现了粒子数的反转，谐振腔内的两个反射镜，使受激辐射光在其中来回反射，满足阈值条件后发出激光。
二、激光的特点激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，用以自身辐射为基础的光源相比，具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好等特点。
1.单色性好对于单色性，有如下几点说明：1）单色光的波长范围很小，谱线宽度窄，所以，波长范围很小的辐射，谱线宽度越窄的光，其单色性越好。
2）激光是受激辐射，谐振腔有选频作用，所以输出光的谱线宽度很小，因而能具有好的单色性。
3）单色性好的光越易于调制，因而在光通信中得到广泛的应用。
2.方向性好用光的发散角来描写方向性，发散角小，方向性好。
激光的发散角可达10弧度，所以方向性非常好。
3.亮度高高度是指单位面积的光源在给定方向上单位立体角范围内发出的辐射功率。
有书记载：激光可达104W，比太阳的亮度还高出上千亿倍。
4.相干性好相干性是指两束光能够发生干涉，形成明暗相间干涉图缘的特性。
激光是完全相干的，接近电磁波。
所以在光通信、全息摄影、精密测量中得到广泛应用。
自发辐射受激辐射和受激吸收一自发辐射spontaneousradiation
二、光泵（激励源）（optical pumping）
在受激辐射放大过程中，显然将减少处于高 能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立， 从而破坏了粒子数反转状态，为了保持原子系 统的粒子数反转状态，需不断地将原子从低能 态抽运至高能态，需将能量注入原子系统，以 维持激光运转所必需之能量。
——光泵（optical pumping）
光泵可以是电学的，化学的，热学的，光学的方法
三.光学谐振腔(optical harmonic oscillator)
激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。
全反射镜
激励能源
激光
部分反射镜
小结：产生激光的必要条件
ｌ. 激励能源（使原子激发） ２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能
级） ３.光学谐振腔（方向性，光放大，
二．受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ------有光的放大作用。
三 . 受激吸收(absorption) E2 N2
h
E1 N1 上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验汤斯
20世纪50年代，美国科学家汤斯等人，以及原苏联的科 学家普罗克霍洛夫等人独立发明了一种极低噪音微波放大器
——辐射受激发射微波放大器（maser）
1958年美国汤斯和肖洛提出，在一定条件下，可将上述 微波激射器的原理，推广至光波段。
——受激发射光波放大器（laser）
单色性）
§3 激光的主要特性 ★方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。 ★相干性极好的光束
自发辐射与受激辐射的区别并总结激光的原理、特点、分类
1、自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去,同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。
受激辐射：当原子处于激发态E2时,如果恰好有能量 (这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。
区别：与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子.受激辐射光是相干光。
受激辐射光加上原来的外来光,使光在传播方向上光强得到放大。
自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。
2、试总结激光的原理、特点、分类1）原理激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。
光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。
但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时,总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。
要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位.2）特点主要特点：定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极高其他特点：激光是单色或单频的;激光是相干光,其所有的光波都同步，整束光就好像一个“波列”；激光是高度集中的,即它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象.3）分类按工作介质的不同来分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器.按激光输出方式的不同分类：连续激光器和脉冲激光器。
（其中脉冲激光的峰值功率可以非常大）按发光的频率和发光功率大小分类等。
第二章激光产生的原理
第二章激光产生的原理激光（laser）是一种特殊的光，与普通光不同，具有高度的单色性、相干性和直挺性。
激光的产生原理可以归结为三个基本步骤：受激辐射、光放大和自发辐射。
下面将详细介绍这三个步骤。
1. 受激辐射（stimulated emission）受激辐射是激光产生的基础步骤。
当一个原子或分子处于激发态时，它可以通过与一个已经激发的原子或分子相互作用，使其跃迁到更低的能级并释放出一个与已经存在的光子相同的光子。
这个过程类似于一个“决定性的薪水”，因为刚发射的光子的频率和相位与已经存在的光子完全一致。
这种释放出与已有光子相同的光子的原子或分子被称为“受激辐射源”。
受激辐射的发生需要两个已激发的原子或分子相遇并发生耦合。
为了增加受激辐射的概率，需要将大量的原子或分子引入到激发态。
这可以通过能量输入的方式，如电击、光照等来实现。
2. 光放大（optical amplification）光放大是指将弱的光信号经过一定的方式和介质放大成为强光的过程，主要是通过受激辐射来实现。
在激光器中，光通过一个介质（如激活剂）时，如果该介质中有足够多的原子或分子处于激发态，那么入射光子与受激辐射源相互作用时，即会受到受激辐射并发射出相同频率和相位的新光子。
这样就形成了一个光子链反应，既光子会不断地通过原子或分子的相互作用来产生新的光子。
这个过程导致光子数目呈指数增长。
同时，这个过程也导致光子的相位一致，即光波是相干的。
而且，由于受激辐射只与入射光子的波长频率和相位有关，所以光放大过程不会引起光子的频率和相位的改变。
因此，光放大得到的光具有高度的相干性和纯净度。
3. 自发辐射（spontaneous emission）自发辐射是与受激辐射相反的一种现象。
自发辐射是指原子或分子在激发态自发发射出光子的过程。
自发辐射与受激辐射不同，它是完全单个的、随机的，独立于入射光子的存在或者其他光子的存在。
自发辐射产生的光子频率和相位是随机的。
第7讲 光的受激辐射放大
方法1： 方法2：
I (z dz) S I (z) S dI S
dN
st
dN
ab
h
S
I (z)
I (z dz)
z z dz
dN ,dN
st
ab
分别为体积 V
内受激辐射增加的光子数和
受激吸收减少的光子数。
7.1 实现受激辐射放大的条件
I
I e0LGdz 0
L Gdz
0
10 0
A cos2
kz dz
A 2
10
1 2k
sin 20k
这里k的单位为cm-1.
定义：
nul
nu
gu gl
nl
称为反转粒子数密度
则：
dI Idz
nul Bul
h
c
实现受激辐射光放大的条件
dI 0 dz
nul 0
7.2 增益介质内光强的变化规律
增益系数G
定义为：介质内单位长度光强增加的百分比。用公式表
示为：
G dI Idz
G>0的介质，称为增益介质。
7.2 增益介质内光强的变化规律
dN st
dnu dt
st
V
Bul nu
S
dz
dN ab
dnl dt
ab
V
Blu nl
S
dz
因此，根据方法2最终得到：
=(nu Bul nl Blu ) h S dz
激光发射原理
激光发射原理
激光是一种光的形式，其发射是通过激光器实现的。
激光器的发射原理基于受激辐射和光放大的过程。
首先，激光器中存在一个激光介质，比如气体、固体或半导体等。
这个介质包含能够吸收能量的原子或分子。
第二，激光器中有一个能量源，比如闪光灯、电流或其他激发源，用来提供能量。
在激发源的作用下，激光介质中的原子或分子会被激发到一个高能级。
这些激发态的原子或分子是不稳定的，它们会迅速回到基态，并释放出能量。
在这个过程中，有些原子或分子会释放出光子，而这些光子与其他处于激发态的原子或分子之间的能量差相等。
第三，当激光介质中的原子或分子释放出光子时，这些光子在介质内发生多次碰撞，激发更多原子或分子到激发态。
这种现象被称为受激辐射，它可以导致光子数量不断增加而形成一个光子密集的系统。
第四，激发态的原子或分子会通过自发辐射回到基态。
在回到基态的过程中，它们会以同样的能量差再次释放出光子。
最后，当光子数量达到一个临界值时，即时它们发生在不同位置和方向上的碰撞，它们的相干性会增强。
这就是光子的共振放大效应。
通过反射器或增透镜等光学元件对光子进行光程延迟和调节，最终可以实现激光的聚焦、定向和发射。
总之，激光的发射原理基于激光介质中的受激辐射和光放大过程。
这种过程利用激发源提供的能量，通过原子或分子的激发态和基态之间的跃迁来产生相干的、高强度和单色性的光束。
激光器及其应用介绍
原子温度降低到了与绝对
零度只相差百万分之一度 的程度。
的方法，使冷却温度进一
步降低。因此获得1997年 诺贝尔物理奖。
13
1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中 国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。
1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神 光装臵，在中国科学院上海光学精密机械研究所 研制成功。
1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，
标志了激光技术的诞生。
美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅
曼演示的。 波长为694.3nm的激光
2014-10-16
7至此，一门新的科学技来自术——量子电子学中的激光 技术以科学史上罕见的高速 度向前发展！
2014-10-16
8
1961年
⑴ 2月（A.Javan）研制成了
He—Ne混合气体激光器。
⑵ 有人提出了Q调制技术，
并制成第一台调Q激光器。
⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。
为什么要调Q？
1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
仅1961—1962年间世界各国发表 的激光方面的论文达200篇以上。
从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条 道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以 后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电 磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球 上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预 测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、 核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学 理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
1 2
干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
3
干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
普通物理学第七版 第十四章 激光和固体的量子理论简介
最外层价电子对应的能带为价带；该带可以是满 带, 也可以是被电子部分填充的；
价带之上的能带没有分布电子, 称为空带。
在相邻的两个能带之间, 可以有不存在电子稳
定能态的能量区域, 称为禁带。
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未排满电子的价带和紧靠价带的空带又称为导带。
晶体的能带结构图
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四、导体、半导体和绝缘体 按能带论, 不同的导电性能, 是因为它们的能带结 构不同。 绝缘体: 价带满，且禁带宽（ Eg=3～6 eV） 半导体: 价带满，但禁带窄（ Eg=0.1～1.5 eV）
4.相干性好 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米, 激光可 达几十千米。
可用于光学实验、全息照相、全息存储等。
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激光测距、 Laser videodisc with 激光切割金属 雷达、制导 simulated laser beam
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五、激光冷却 1.运动着的原子→共振吸收光子 基态到激发态, 动量减小, 速度减小。 2.处于激发态的原子→自发辐射光子回到基态 虽然反冲会得到动量, 但自发辐射出的光子的方向 是随机的, 多次自发辐射平均下来并不增加原子的动 量。
杂质元素的五个价电子的四个 价电子与硅或锗形成共价键, 多提供的一个电子与杂质原子 结合较弱。
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可以证明: 多余电子的能级处在禁带中紧靠空带 处，该能级称为施主能级。
施主能级上的电子极易激发到导带底形成电子导电, 从而导电性大大增强。
n 型半导体以电子导电为主。
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在四价的本征半导体硅（Si）或锗（Ge）中掺入少 量三价的杂质元素硼（B）或镓（Ga）等形成空穴 型半导体称为 p 型半导体。
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光的受激辐射放大专题学习课件
(2):腔内物质原子数按能级分布应服从热平衡下的玻耳兹曼
分布.
n2 f2
n1 f1
e
E
2 E1 kT
hv
e kT
(3.15)
式中: f1 --- 能级E1的统计权重 f2 --- 能级E2的统计权重
(3) 在热平衡状态下
单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光子数目 = 单位时间内粒子体系向辐射场发射的光子数目
1900年德国物理学家普朗克导出了一个公式：“普朗克公式”
ρv
8π h c3
3
v
1
hv
ekBT 1
(3.3)
(T)
C为光速 h=6.6310-34j·s 称为普朗克恒量
k=1.38065810-23J/K 称为波尔兹曼常数
事实上正是这一理论 导致了量子力学的诞生， 普朗克也成为了量子力学 的开山鼻祖，1918年因此
也称为自发跃迁爱因斯坦系数 可见: 高能级E2上粒子数随时间t按指数律衰减。
(2).受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为 hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,
跃迁到高能级E2
E2 h ●
N2
E1
●
N1
(a)受激吸收系数B12: 设E1的粒子数(密度)为n1,单色辐射能量密 度ρv的光入射(入射光子满足hv=E2-E1)时，在单位体积、时间 间隔dt内吸收光子而由E1跃迁到E2的粒子数为
2）黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是 小于1。 3）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想 的黑体。
3.黑体辐射: 由黑体发射的电磁辐射, 又称热平衡辐射(因这时 黑体与辐射场达到了热平衡, 即它从辐射场吸收的 辐 射能量等于它发射的电磁辐射的能量)
《激光与全息照相》 知识清单
《激光与全息照相》知识清单一、激光的基本原理激光，全称为“受激辐射光放大”，它的产生基于量子力学的原理。
普通光源的发光是自发辐射的过程，各个原子发光是随机的、无序的，所以发出的光频率、相位和方向都各不相同。
而激光的产生则是受激辐射的过程。
在一个充满了特定原子的容器中，这些原子处于特定的能级。
当有外部能量注入，使得原子从低能级跃迁到高能级，这个过程被称为“激励”。
处于高能级的原子是不稳定的，会自发地跃迁回低能级，并释放出光子。
但如果此时有一个外来的光子，其频率和方向恰好与原子从高能级跃迁回低能级所释放的光子相同，那么这个外来光子就会引发原子产生受激辐射，从而产生一个与入射光子完全相同的光子。
这两个光子会继续引发更多的受激辐射，从而形成大量频率、相位和方向都相同的光子，这就是激光。
激光具有几个显著的特点。
首先，它具有高度的单色性，也就是光的颜色非常纯，几乎只有一个波长。
其次，它具有高度的相干性，这意味着光波的相位之间存在固定的关系。
再者，激光的方向性非常好，能够几乎沿着一条直线传播，并且能量高度集中。
二、全息照相的原理全息照相是一种能够记录物体光波全部信息（包括振幅和相位）的照相技术。
传统的照相技术，比如我们常见的普通相机拍摄的照片，只能记录物体光波的振幅信息，也就是光的强弱，从而形成物体的平面图像。
但全息照相不同，它能够同时记录光波的振幅和相位信息，从而可以重现出物体的三维图像。
全息照相的原理基于光的干涉。
首先，让一束激光通过分光镜分成两束，一束称为物光，直接照射到被拍摄的物体上，然后被物体散射；另一束称为参考光，直接照射到记录介质上。
物光在被物体散射后，携带着物体的振幅和相位信息，与参考光在记录介质上相遇，发生干涉。
干涉的结果会在记录介质上形成复杂的干涉条纹。
这些干涉条纹就包含了物体光波的全部信息，即振幅和相位。
当我们用与参考光相同的激光照射这些干涉条纹时，就可以重现出原始物体的三维图像。
三、全息照相的记录过程1、准备工作需要一个稳定的激光光源，以及合适的分光镜、反射镜和记录介质。
激光的基本原理是
激光的基本原理是
激光的基本原理是通过受激辐射的过程产生一束高度聚焦、单色、相干性极高的光线。
激光器内部通过能量输入或外部激发物质，使其处于激发态。
当外部光子或能量激发物质时，激发态的原子或分子会在辐射入射光子的作用下跃迁到较低的能级，释放出与入射光子完全一致的光子，这种现象称为自发辐射。
自发辐射仅能获得出射光子与入射光子具有相同的频率，而且光子的相位与方向都是准乱的，不具备激光的特性。
为了实现激光输出，需要通过两个重要的过程：光放大和光反馈。
光放大是指将自发辐射光子经过受激辐射的反复过程进行增强，在激光器内部通过使用特定的放大介质（如气体或晶体）来实现。
该过程需要确保在放大介质中有足够的受激辐射发生，以维持每个原子或分子的激发态数目。
放大介质通常呈现双能级或三能级结构，以确保能量的快速传递。
光反馈是将一部分光线经过特殊的光学器件（如共振腔）反射回放大介质，使得受激辐射持续发生，并增加其相干性。
光线在能级系统中来回传播，与处于激发态的原子或分子相互作用，同时经过其他非激光产生的途径（如自发辐射、散射等）损失能量。
只有在光反馈强度超过损耗时，才能实现激光输出。
总结起来，激光的基本原理包括自发辐射、光放大和光反馈。
这些过程的相互作用使得激光器能够输出高度聚焦、单色、相干性极高的激光光束。
自发辐射 受激辐射
3 能量集中 4 相干性好
普通光源的发光过程是自发辐射 , 发出的不是 相干光 , 激光的发光过程是受激辐射 , 它发出的 光是相干光.
自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动 方向和相位不一定相同, 是非相干光.
2 光吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能级 E1 跃迁
到高能级E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸收.
. 受 E2
激
h
E2
. 。 吸
收
E1
E1
吸收前
吸收后
16-9 激光
3 受激辐射
16-9 激光
一 自发辐射 受激辐射
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激
发态的高能级 E2 自动跃迁到低能级 E1 , 这种跃迁
称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发
辐射. 自 发 辐 射
(E2 E1) h
E2 .
E2
。 h
E1
E1 .
发光前
发光后
16-9 激光
N2 N1
E2 ............. N2
E1 。E。2 。。E。1 N1
粒子数反转分布
16-9 激光
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 (10 8s)
原子中处于高能级 E2 的电子,会在外来光子（其频
率恰好满足 h E2 E1）的诱发下向低能级 E1 跃迁 ,
普通光源--自发辐射
20.06.2021
a
22
例. 半导体 Cd S
空带
h
Eg=2.42eV
满带
这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空
穴”电) 。子和空穴总是成对出现的。
20.06.2021
a
23
在外电场作用下,
空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁。
满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流, 这称为空穴导电。
a
3
2. Classification ：
按工作物质分
固体（如红宝石Al2O3 ，YAG） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）
按工作方式分
连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W ）
按波长分：极紫外──可见光──亚毫米
20.06.2021
a
12
光纤胎儿
20.06.2021
a
13
光纤诊断
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a
14
20.06.2021
用脉冲的染料激 光 ( 波 长 585nm) 处理皮肤色素沉 着
用激光使脱落的 视网膜再复位 (目前已是常规 的医学手术)
a
激光焊接：高能 激光 (能产生约 5500 oC的高温) 把大块硬质材料 焊接在一起
能带的宽度记作E ， 数量级为 E～eV。
20.06.2021
若N~1023,则能带中两能 级a 的间距约10-23eV。17
E
2P 2S
1S
0
a
离子间距
能带重叠示意图
20.06.2021
a
18
二 . 能带中电子的排布
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非相干光。
二、受激辐射和受激吸收
1）受激吸收 （共振吸收, 光的吸收）
处在低能级E1的原子受到
E2 能量等于h=E2-E1的光子
h
的照射时，吸收这一光子
E1 跃迁到高能级E2的过程。
n1 —— t时刻处于能级E1上的原子密度为
dn12 dt
——单位时间内由于吸收光子从低能级E1 吸 跃迁到高能级E2的原子数密度
大功率激光器 I 109 1017Wcm2sr 1
可使一切金属熔化
可使一切非金属化为一缕青烟
二、激光的应用
粒子数反转分布
激光是受激幅射的光，但还存在自发幅射和吸收， 要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大
根据玻尔兹曼 能量分布律
N e 2
( E2 E1 ) kT
N1
热动平衡下， N2N1，即处于高能级的原子数
大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布
受激辐射占支配地位粒子数反转
高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
激光
14-5 光的自发辐射 受激辐射、光放大
光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射 和受激辐射三种过程。
一、原子的自发辐射
在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从
高能级E2向低能级E1跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件：h=E2-E1
E2
•
E2
h
E1
E1 •
随机过程，用概率描述。
n2—— t时刻处于能级E2上的原子数密度
我国第一台红宝石激光发射器
激光发射器---氦氖红光
氩离子激光器
14-7 激光的特性与应用
一、激光的特性
一）高度单色性
激光所包含的波长或频率范围极小
He-Ne Laser
中心波长 6328 A
波长范围： 108 A
Laser
又如单色性最好的氪灯，其中心波长60576埃
波长范围： 4.7 102 A
粒子数正常分布是： 能 E4 量 E3
E2
N2
粒子数反转状态
E2
N2
E1
N1
E1
N1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成 粒子数反转的状态。
实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有
适当的能级结构； 必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的
粒子处于激发态。（激励或泵浦）
二）高度相干性
相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。 相干性越好则光场中任取两点作光源 所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。
由德布罗意关系式
h p
hp p2
越小(谱线宽度越窄) p越小
杨氏 双缝干涉
又由海森伯不确定关系式
px x
2
x
2px
x越大
即激光光波有很好的相干长度
圆孔衍射
I
r
注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。 二者是统一的.
氦氖激光器的结构
M1
布儒斯特窗
M2 激光
100反射
He,Ne 电源
99反射 1透射
激光器细玻璃管内充有氦和氖气激活介质, 与激光管 的轴严格垂直的两个反射镜(M1:100反射、M2:99 反射1透射)构成光学谐振腔：维持光子振荡放大, 使 激光有良好的方向性和相干性；反射镜两端距离控制其
间驻波的波长，因而激光有极高的单色性。
（100%反射镜）
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
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）。
激光器
工作物质：具有亚稳态能级结构 光学谐振腔：维持光振荡 激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光
He-Ne 气体激光器
激励方法：光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)
只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转
E4
E4
E3
E3
工作跃迁
E2
E2
E1
(a)
E1
(b)
粒子数反转的实现
He 21S
23S
Ne
5S
20.66eV
3.39
6328Å
4S
碰撞转移 19.78eV
1.15
4P
20.30eV
三）高度准直性(方向性好---激光的发散角小。)
r
l
激光器
r =2~5mrad（毫弧度）
l (1km时光斑直径10m) Laser
He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器
=0.031mrad =410-5mrad
D=1.6km
四）亮度高、能量集中 10mW的功率He-Ne激光器竟产生了比太阳大几千倍 的辐射亮度
dn12 dt
吸
K
B12 I n1
比例系数 入射光强
受激吸收系数
令 W12 K B12 I
则 W12
dn21 dt
吸
1 n1
受激吸收跃迁概率
2）受激辐射 处在高能级E2的原子，受到能量为h=E2-E1的
外来光子的激励，由高能级E2受激跃迁到低能级E1， 同时辐射出一个与激励光子全同(即频率、相位、
dn21 ——单位时间内从高能级E2自发跃迁到低
dt 自
能级E1的原子数密度
dn21 dt
自
A21n2
A21
dn21 dt
自
1 n2
A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个
原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率
自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏
振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是
dn21 dt
受
1 n2
受激辐射跃迁概率
W21——表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率
14-6 激光原理
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光Laser——受激辐射光放大 引言：
自从美国人梅曼制造出第一台激光 器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开 刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还 有激光照排、激光美容等….。激光首先是应用在 军事上。现代战争离不开激光。
3P
18.70eV
电子碰撞 3S
16.70eV
11 S
2P
He、Ne原子部分能级图
光学谐振腔
激发态
受激辐射
原子
自发辐射
实现粒子数反转 分布的激活介质
光
学
谐
振
Байду номын сангаас
腔
全反射镜
（100%反射镜）
基 态 辐射的光的位相、 偏振状态、频率、 传播方向是随机的。
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
光
学
谐
振
腔
全反射镜
偏振状态、传播方向等均同)的光子。
E2
h E1
(a)受激辐射
E2 h h
E1
(b)受激辐射的光放大
dn21 dt
——单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能
受
级E1的原子数密度
dn21 dt
受
K
B21 I n2
激励光强
比例系数 受激辐射系数（由原子本身性质决定）
令 W21 K B21 I
则 W21