大学物理：神奇的激光
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h ( )
N2 E 2
N1 E 1
h E2 E1
有些原子会吸收 h 能量从低能级 E1 跃迁到高能级 E2 ， 这种过程叫受激吸收或激发。
设 ( ) 为频率 的入射光能量 密度。dt 子数： 时间内从 E1 E2 跃迁的原
h ( )
N2 E 2
N1 E 1
普通光——自发辐射；
“自由散漫”“乌合之 众”
激光——受激辐射
( ) h
“步调一致”“战斗集 体”
四、吸收与辐射之间的平衡关系
光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒 子数保持不变（比方：各楼层人数不变，上下人数同）
N2 E 2
N1 E 1
h ( )
N 2 E2 h N1 E 1
1968-69 1982 80年代－
不可思议的 激光
请入内 参观令 人信服 的激光
肖洛
肖洛实验室 门前的广告
汤斯和肖洛在一起，右上 角是最早的激光器
激光为什么会有如此神奇 的威力？如何得到激光？本讲
座将介绍激光的基本知识，首 先从原子发光的机理谈起！
1
原子的激发与辐射（激光理论基础）
激光虽然于60年代才问世，但其物理基础却在此前 40多年就由爱因斯坦建立。其核心内容：是受激吸收、 自发辐射、受激辐射三个基本概念。 一、受激吸收 在辐射场（光）作用下，当
( ) h
Байду номын сангаас
N2 E 2 h h E1 N1
光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒 子数保持不变
h ( )
N2 E 2
N1 E 1
N 2 E2 h N1 E 1
dN12 B12 ( ) N1dt
大量状态全同的光子，该现象称之光
放大。
N2 E 2 h h E1 N1
一个光子刺激原子，产生两个全同
光子，两个光子刺激其它原子又产生四 个全同光子，……. 如果能提供适当条件，实现光放大，就获得了激光。 所以，受激辐射——激光产生机制。
N2 E 2 h N1 E 1 N2 E 2 h h E1 N1
神奇的激光
原子的激发与辐射 激光产生原理 激光的技术应用
什么是激光？
英文名字：Laser即“light amplification by
stimulated emission of radiation”“受激辐射光放
大”，简称“激光”。是一种新型光源。
激光与普通光源比较，从发光机制到特性都完全不 同。其性能之优越，普通光源无法相比。
dt 时间内从 E E 跃迁的原子数： N2，dt dN21
2 1
h E2 E1
N2 E 2 h N1 E 1
A21 N2dt dN21
dN 21 A21 N 2 dt
A21 —称为自发辐射系数。即一个原子在单位时间（每
秒）内从 E2 E1 的跃迁几率。
主要特性：高方向性（发散角10万分之一弧度，
几乎平行；高亮度（最高可达太阳表面亮度的100万亿 倍）；高相干性（相干长度达数百公里）；高单色性 （ 107 A）。
各类激光器中，输出功率低至10-6W，高至1012W。
各类激光输出波段宽：可见；紫外；近红外；远红外。 激光工作物质广泛：固体（包括半导体）；液体；气 体
N2 E 2 h h E1 N1
h E2 E1
dN 21 B21 （） N2 dt
称为受激辐射速率
E2 E1 受激跃迁 即一个原子在单位时间（每秒）内从 几率（百分比）
受激辐射特点： 辐射光子与入射光子全同，相干光 ( ) h 光放大：在一个光子作用下，获得
激光技术是60年代初发展起来的高新技术。60年代 以来，激光技术发展极为迅速，现成为新的工业革命的 先导之一，在工业、农业、医学、军事、科研等各个领
域有广泛应用。
激光核聚变实验装置
激光发展简史
1860 1900 1905 1917 1953
（物理—技术—物理）
Maxwell 建立光的电磁理论 Planck提出能量子假说
Einstein提出光量子理论 Einstein提出受激辐射理论
Towns建立第一台微波激射器（maser)
1958
1960
Towns,Shawlow开始研制激光器
Maiman制成第一台红宝石激光器 激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，
1961-65
用于激光通讯； CO2 激光器，用于激光熔炼、 激光切割、激光钻孔... 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系 激光全息术 激光外科手术，通讯、光盘、激光武器...
自发辐射特点： 发射方向、位相、偏振状态、频率等随机混乱。“乌合 之众”。——普通光源的发光机制。
各原子发光自发独立，与外界作用无关；非相干光，
三、受激辐射 爱因斯坦1917年提出受激辐射概念。
h E2 E1
N2 E 2 h h E1 N1
当原子处于能量密度为 ( ) 的外来 光场中，除了一些原子吸收 h 光子从 ( ) h E1 E2 外，还有一些原子会在外来光 子刺激下，从高能态 E2 跃迁至低能 态 E1
在外来光子刺激下，原子从高能态 跃迁至低能态， 同时辐射一个与外来光子完全一样的光子（频率、位相、 偏振态、传播方向全同）。这种过程叫做受激辐射。
dt 时间内从 E
2
E1 跃迁的原子数：
dN21 （v），N2，dt
B21 dN21 （）N2dt
受激辐射系数
( ) h
h ( )
N2 E 2
N1 E 1
即单位时间内，原子从 E1 跃迁到 E2 的几率（对大量 原子而言是百分比）
N2 E 2 h 激发态原子不稳定，会自发地从高能级 N1 E 1 E2 向低能级 E1 跃迁，多余的能量以光的形式发出。 这种过程称为自发辐射。 h E2 E1
二、自发辐射
dN12 (v), N1 , dt
h E2 E1
dN12 B12 ( ) N1dt
B12 —吸收系数
N1 —E1能级原子或粒子数
N2 —E2能级原子或粒子数
dN12 w12 B12 (v) 称为吸收速率 N1dt
dN12 w12 B12 (v) 吸收速率 N1dt
N2 E 2
N1 E 1
h E2 E1
有些原子会吸收 h 能量从低能级 E1 跃迁到高能级 E2 ， 这种过程叫受激吸收或激发。
设 ( ) 为频率 的入射光能量 密度。dt 子数： 时间内从 E1 E2 跃迁的原
h ( )
N2 E 2
N1 E 1
普通光——自发辐射；
“自由散漫”“乌合之 众”
激光——受激辐射
( ) h
“步调一致”“战斗集 体”
四、吸收与辐射之间的平衡关系
光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒 子数保持不变（比方：各楼层人数不变，上下人数同）
N2 E 2
N1 E 1
h ( )
N 2 E2 h N1 E 1
1968-69 1982 80年代－
不可思议的 激光
请入内 参观令 人信服 的激光
肖洛
肖洛实验室 门前的广告
汤斯和肖洛在一起，右上 角是最早的激光器
激光为什么会有如此神奇 的威力？如何得到激光？本讲
座将介绍激光的基本知识，首 先从原子发光的机理谈起！
1
原子的激发与辐射（激光理论基础）
激光虽然于60年代才问世，但其物理基础却在此前 40多年就由爱因斯坦建立。其核心内容：是受激吸收、 自发辐射、受激辐射三个基本概念。 一、受激吸收 在辐射场（光）作用下，当
( ) h
Байду номын сангаас
N2 E 2 h h E1 N1
光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒 子数保持不变
h ( )
N2 E 2
N1 E 1
N 2 E2 h N1 E 1
dN12 B12 ( ) N1dt
大量状态全同的光子，该现象称之光
放大。
N2 E 2 h h E1 N1
一个光子刺激原子，产生两个全同
光子，两个光子刺激其它原子又产生四 个全同光子，……. 如果能提供适当条件，实现光放大，就获得了激光。 所以，受激辐射——激光产生机制。
N2 E 2 h N1 E 1 N2 E 2 h h E1 N1
神奇的激光
原子的激发与辐射 激光产生原理 激光的技术应用
什么是激光？
英文名字：Laser即“light amplification by
stimulated emission of radiation”“受激辐射光放
大”，简称“激光”。是一种新型光源。
激光与普通光源比较，从发光机制到特性都完全不 同。其性能之优越，普通光源无法相比。
dt 时间内从 E E 跃迁的原子数： N2，dt dN21
2 1
h E2 E1
N2 E 2 h N1 E 1
A21 N2dt dN21
dN 21 A21 N 2 dt
A21 —称为自发辐射系数。即一个原子在单位时间（每
秒）内从 E2 E1 的跃迁几率。
主要特性：高方向性（发散角10万分之一弧度，
几乎平行；高亮度（最高可达太阳表面亮度的100万亿 倍）；高相干性（相干长度达数百公里）；高单色性 （ 107 A）。
各类激光器中，输出功率低至10-6W，高至1012W。
各类激光输出波段宽：可见；紫外；近红外；远红外。 激光工作物质广泛：固体（包括半导体）；液体；气 体
N2 E 2 h h E1 N1
h E2 E1
dN 21 B21 （） N2 dt
称为受激辐射速率
E2 E1 受激跃迁 即一个原子在单位时间（每秒）内从 几率（百分比）
受激辐射特点： 辐射光子与入射光子全同，相干光 ( ) h 光放大：在一个光子作用下，获得
激光技术是60年代初发展起来的高新技术。60年代 以来，激光技术发展极为迅速，现成为新的工业革命的 先导之一，在工业、农业、医学、军事、科研等各个领
域有广泛应用。
激光核聚变实验装置
激光发展简史
1860 1900 1905 1917 1953
（物理—技术—物理）
Maxwell 建立光的电磁理论 Planck提出能量子假说
Einstein提出光量子理论 Einstein提出受激辐射理论
Towns建立第一台微波激射器（maser)
1958
1960
Towns,Shawlow开始研制激光器
Maiman制成第一台红宝石激光器 激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，
1961-65
用于激光通讯； CO2 激光器，用于激光熔炼、 激光切割、激光钻孔... 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系 激光全息术 激光外科手术，通讯、光盘、激光武器...
自发辐射特点： 发射方向、位相、偏振状态、频率等随机混乱。“乌合 之众”。——普通光源的发光机制。
各原子发光自发独立，与外界作用无关；非相干光，
三、受激辐射 爱因斯坦1917年提出受激辐射概念。
h E2 E1
N2 E 2 h h E1 N1
当原子处于能量密度为 ( ) 的外来 光场中，除了一些原子吸收 h 光子从 ( ) h E1 E2 外，还有一些原子会在外来光 子刺激下，从高能态 E2 跃迁至低能 态 E1
在外来光子刺激下，原子从高能态 跃迁至低能态， 同时辐射一个与外来光子完全一样的光子（频率、位相、 偏振态、传播方向全同）。这种过程叫做受激辐射。
dt 时间内从 E
2
E1 跃迁的原子数：
dN21 （v），N2，dt
B21 dN21 （）N2dt
受激辐射系数
( ) h
h ( )
N2 E 2
N1 E 1
即单位时间内，原子从 E1 跃迁到 E2 的几率（对大量 原子而言是百分比）
N2 E 2 h 激发态原子不稳定，会自发地从高能级 N1 E 1 E2 向低能级 E1 跃迁，多余的能量以光的形式发出。 这种过程称为自发辐射。 h E2 E1
二、自发辐射
dN12 (v), N1 , dt
h E2 E1
dN12 B12 ( ) N1dt
B12 —吸收系数
N1 —E1能级原子或粒子数
N2 —E2能级原子或粒子数
dN12 w12 B12 (v) 称为吸收速率 N1dt
dN12 w12 B12 (v) 吸收速率 N1dt