第二章 激光基础知识1..

激发态原子
自发辐射
受激辐射
基态
（2）自发辐射：
处于高能态的粒子极不稳定，其会自发地向 低能态跃迁，并发射出能量为hv =E2-E1 的一个光
子，这称为自发辐射。
如普通光源的发光。构成光源
的各个 粒子是独立发光体，是非相干的、向 四面八方
传播的光
激发态的寿命： 原子在激发态的平均停留时间（约为10-8s数 量级）
相干性包括:
时间相干性是指光场中同一空间点在不同时
刻光场之间的相干性。
空间相干性是指光场中不同的空间点在同一
时刻光场的相干性。
由于激光中每个光子的运动状态（频率、相
位、偏振态、传播方向）都相同，激光光束具有 很好的时间相干性和空间相干性，因此从激光器 发出的光束是相干光束。
重要用途：
用激光做光源进行光的干涉、衍射实
激光 Laser（Light amplification by stimulated emission of radiation）是受激辐 射产生的光，是一个光放大的过程。
Laser 最初译名有：莱塞、雷射、光量子放
大器等。
1964年12月在全国第三届光受激辐射学术会
议上，根据钱学森提议将 “Laser” 称为 “激
E2
hv
E1
自发辐射
发光物质中各个粒子自发地、独立地进行辐射Βιβλιοθήκη Baidu
各个光子的相位、偏振态和传播方向之间
没有确定的关系。
（3）受激辐射：
处于高能态的粒子，如果在自发辐射以前受 到能量为hv = E2-E1的外来光子的诱发作用，就可 能从高能态跃迁到低能态，同时发射一个与外来 光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光 子，这一过程称为受激辐射。
验，可以得到非常好的效果。
三. 激光产生的基本原理
基本概念 原子由带正电的原子核和带负电的电 子组成。按照波尔的理论，电子只能处在
一些特定的“高度”，每个“高度”都具
有特定的能量，我们称之为“能级”。
基本概念
按照原子的量子理论，原子只能稳定地存在
于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何 变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进 行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃 迁。
光” 。
二.激光的性质
1 方向性好
激光基本延直线传播，发散角在毫弧度的 数量级(10-5~10-8的球面度)。
r s
α
光束发散角= 2α
如：
探照灯的光束在几公里内要扩散几十米的范围；
激光光束在几公里外，其扩散距离为几厘米。
可用于定位、测距、导航等。
激光的方向性是由受激辐射原理和
谐振腔的方向选择作用所决定的。
2 单色性好
具有单一频率的光波称为单色光。
自然界中绝对的单色光是不存在的，实际上
所谓的单色光是由无数波长非常接近的光所组成。
光波的单色性可用这些波长的范围 △λ来描述, △λ越小，则单色性越好。
荧光光谱
普通光源谱线宽度
可见光每种颜色的谱线宽度为= 4050nm ； 激光光束的谱线宽度很窄，为（ = 10-8 nm），即激光的颜色很纯。
太阳及普通光源---连续光谱
霓虹灯---线状光谱 激光---单一颜色谱线
3 高亮度
光源亮度：指光源单位发光表面（S）
在单位时间内沿单位立体角（Ω）所发射 的能量。
普通光源的亮度相当低，例如，太阳表
面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几 百倍。
4 相干性、偏振性好
相干性是在波动理论基础上描述波各 个部分的位相关系。
光放大示意图
正常分布：
处于高能态的原子数远远小于处于低能态
的原子数，这种分布称为正常分布。
正常分布下，受激吸收过程占优势，不可能
实现光放大。
粒子数反转：
要使受激辐射占优势，必须使处在高能态 的原子数大于低能态的原子数，这种分布与正常 分布相反，称为粒子数反居分布，简称粒子数反 转。
实现粒子数反转的条件
1958年，肖洛和汤斯两位美国微波 领域的科学家发表论文《红外与光学激 射器》，开辟了崭新的激光研究领域。
对激光器谐振腔的结 构作了卓有成效的研 究
苏联科学家巴索夫及普罗霍洛夫发表了
《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建
议》的论文
1960年7月7日，梅曼成功地制造了世界上第 一台红宝石激光器。
标志了激光技术的诞生
1961年Zere和 Solon等发表了《激光的
生理作用》和《相干光源产生的光凝固》，
揭开了激光同生物体相互作用的序幕。
激光是20世纪继原子能、半导体、计算 机之后的又一重大发明。
延伸了人的感官
延伸了人的大脑
激光的出现不仅使古老光学获得了新的生命 力，而且发展和涌现了大量分支和交叉学科： 激光生物学、激光光谱学、激光物理、激光 化学、全息光学、量子光学等等。
，原子就有可能吸收
光子向高能态 E2 跃迁，这种过程称为受激吸收
hv
E2 E1
受激吸收
若不存在任何外来影响，基态E1将保持状 态不变； 若有一个外来光子，且 hv = E2-E1 ，则粒 子就有可能吸收这一光子，被激发到高能态,即原 子吸收。
处于高能态的原子 是不稳定的，其 平均寿命约为10-8s
基本概念
当电子从一个低能级跃迁到一个高能级时，
它就要吸收光子（能）；当电子从一个高能级跃 迁到一个低能级时，就要释放多余的能量。我们 把能量最低的状态叫做基态，其他的状态叫做激 发态。
1.光与原子相互作用
光和原子的相互作用可能引起受激吸收、 自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。
（1）受激吸收：
处于低能态E1的原子，受到频率为ν的光 照射时，若满足 hv = E2-E1 （原子吸收）。
第二章 激光基础知识
一.激光简史与概念
1917年，爱因斯坦在一篇说明黑体辐射
现象的文章中，首次提出了存在受激辐射的
发光过程，从理论上预言了产生激光的可能
性。
任何物体都具有不断吸收、反射、辐射电磁波的本领。
黑体： 投射到该物体上所有波长的辐射全部
吸收的物体称为绝对黑体。
既没有反射， 也没有透射， 但仍然有向外 辐射
hv
E2 E1
hv hv
受激辐射
受激辐射的特点
在受激辐射过程中，输入一个光子，可
以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两
个光子可再作用于其他粒子，继续引起受激辐射，
而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐 射的光放大。
频率、发射方向、 偏振态和相位
hv
hv hv hv
输入
hv hv
输出
hv
（1）要实现粒子数反居分布，一定要有实现粒子 数反居分布的物质，称为激活介质，这种介质必 须具有适当的能级结构。