激光器系列试验

rad 310-rad 210-rad

210)105(-⨯-L c R c ππτν221==∆激光器系列实验

激光(Laser)，原意是受激辐射放大所产生的光，它是英文（Light Amplification by Stimulated Stimulated Emission of Radiation ）的缩写，激光科学从它的孕育到初创和发展，凝聚了众多科学家的创造智慧，其中美国物理学家C.H.Townes 和A.L.Schawlow 所做的开创性工作尤为突出,他们在量子电子学领域中的基础研究，导致了微波激射器和激光器的发明。 世界上第一台激光器是美国人梅曼(T.H.Maiman)在1960年5月15日加州休斯实验室制成的红宝石激光器，它是三能级系统，用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光，波长为694.3 nm.实现了汤斯和肖洛在1958年的预言。

人物介绍

汤斯（Townes,Charles Hard ，1915年出生）美国物理学家，因对量子电子学的研究和发明微波激射器，获1964年诺贝尔物理学奖金。他生于美国南卡罗来州的格林维尔，毕业于格林维尔的富尔曼大学，获加州理工学院哲学博士学位1939年在贝尔电话实验室作技术工作，1948年在哥伦比亚大学任教。3年后他产生微波激射的想法，用氨气作放大介质，于1953年12月造出第一台微波激射器。这一研究导致梅曼于1960年获得激光。1967年任加里福尼亚大学教授，在该校开创了射电和红外天文学计划，结果在恒星际空间发现复杂的分子（氨和水）.

一、激光的特征

1.激光的空间相干性和方向性：光束的空间相干性和它的方向性是紧密联系的。不同种类的激光器的发散角是不同的，它们的数量积是：氦氖为 ，固体激光器为 半导体激光器为

2.时间相干性和单色性：时间相干性c τ 和单色性 ν∆ 存在简单的关系ν

τ∆=

1c 即单色性越高，相干时间越长。对于无源光腔的模式频带宽度 一般来说，单

模稳频气体激光器的单色性最好，一般在106-103赫兹，固体激光器的单色性较差，主要因为

工作物质的增益曲线很宽，很难在单模下工作。半导体激光器的单色性最差

3. 激光的高强度（相干光强）：由于激光的光子简并度极高，激光输出的功率是很高的。提高输出功率和效率是激光发展的重要课题。如固体激光器的调Q 和锁膜技术的应用，可使脉

宽达到10-12秒。将一个千兆瓦级（109瓦）调Q 激光脉冲聚焦到直径为5微米的光斑上，可获得1015瓦/厘米2的功率密度。

二、激光器的分类

激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为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，还可以按发光的频率和发光功率大小分类等。

1、固体激光器

一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，有红宝石和玻璃外，常用的有钇铝石榴石（YAG ）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm 的近红外激光。

固体激光器一般连续功率可达100W 以上，脉冲峰值功率可达109w

2、气体激光器

气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长

时间较稳定地连续工作的特点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。其中，氦氖激光器是最常用的一种。

3、半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm 的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬、硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。4、液体激光器

常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。它的优点为输出波长连续可调，且覆盖面宽因此也得到广泛应用。

三、激光原理

1. 受激吸收和自发辐射

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10-8～10-9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 hυ=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外初始位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有个范围。

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为

N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2= -3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则

N2/N1∝exp（－400）≈0

可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。

2、受激辐射和光的放大

由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，玻尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该由量子力学理论来推导。量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，