第10章 光的量子性和激光器

产生激光的装置——激光器
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粒子数反转及其能级系统 受激发射是一种光放大过程。在热平衡条件下，从总体上看这 种光放大过程不占优势 因为
dN21 g1 N 2 exp(h / kT ) 1 dN12 g2 N1
即低能级上的原子数目多于高能级上的原子数目 dN21 g1 N 2 解决办法 粒子数反转 1 g1 N 2 g 2 N1 0 dN12 g2 N1 即高能级上的原子数目多于低能级上的原子数目 实现粒子数反转，原子的能级不能少于三级
受激吸收 受激发射
消耗外来光子能量完成泵浦过程，即把低能级上 的原子抽运到高能级上 高能级的原子发射光子完成光放大过程
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1. 激光加工 激光打孔
激光切割
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激光焊接
激光雕刻
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2. 激光武器 直接利用激光的巨大能量。在瞬间危害和摧毁目标 激光武器推毁目标的主要手段就是烧蚀、激波和辐射。 激光武器的主要特点有三个，一是反应时间短、照射 速度快、命中精度高
在dt时间内，单位体积中从高能级受激跃迁到低能级的原子数
dN'21 B21 N 2 dt
受激发射系数 入射光的单色辐射密度 高能级原子数密度 受激发射几率
dN'21 与入射光强有关 W21 B21 N 2 dt
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三、受激吸收
E1 h 21 E2
上式表明 1）低能态E1的原子吸收光子 h 21 的能量才 能被抽运到高能态E2上 2）原子对光能量的吸收是有选择性的，即 唯有频率为 21 的光子对E1能级上的原子作 用，才能使原子激发到E2能级上去
以二能级系统为例
高能级原子受到光子激励，变到低能级
E2 h 21 E1 x
x h 21 ( E2 E1 ) h 21 h 21 2h 21
于是
E2 h 21 E1 2h 21
受激发射过程中，光子数获得了放大
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发射的光波的特点：
与入射光子比较 频率相同 相位相同 偏振方向相同 传播方向相同 二者完全相干
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二、 光发射与吸收的量子模型及激发方式
1. 光发射与吸收的量子模型 原子的能量状态不能连续改变，是量子化的，能量状态称为量子态 基态 能量最低的量子态
激发态 能量高于基态的量子态 高能级
跃迁
低能级 光子能量
吸收
发射
h Em En
2
光子
2. 激发方式 基态

跃迁
较高能级 ＝ 激发
加热 波耳兹曼（Boltzmann）定律
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3.激光光纤通讯
光导纤维传光是利用在光导纤维中传 输光线在界面上发生全反射来实现的 可视电话、电话会议、医疗会诊 有线广播电视
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4. 激光测量
它是利用测量激光往返目标 物所需的间，来决定目标物的距 离。使用激光系统测距的优点 ，在于激光本身的高方向性和 发散角很小，拥有较高的功 率密度，並可准确地指定目标。 利用激光绘制灾害图 激光检测大气含量
谐振腔
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固 体 激
光
晶 体
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固体激光器的两种典型结构
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第一节 光的量子性
一、 光电效应的规律
单色光
K
阴极
i
A
光电子 的运动
饱和电流 临界截止电压
Im
A
u0 光电流伏安特性曲线
u
u 临界截止电压 如果反向电场的电位差等于 0，则脱出金属电 极K后具有最大动能的电子也不能到达电极A
1 eu 0 mv 2 m 2
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半导体 半导体激光器
对于粒子数反转的介质，光和介质相互作用的结果， 由于受激发射大于受激吸收，光场被加强，光被放大 2.泵浦源 将低能级的原子激发到高能级上，并实现粒子数的反转 是产生激光的重要外因 3.谐振腔 由反射比很高的一对光学反射镜作端面的腔体
作用：使得发射沿腔轴向的光子遇到腔端面后可以被反射回到工 作介质中，使得光子在工作介质中来回振荡，使得放大作用持续。
普通光源
激光
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4.亮度高
因为激光的方向性好，发射的能量被限制在很小的立体角 中所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍
一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿 倍。从地球照到月亮上再反射回来也不成问题。是当今世 界上高亮度的光源
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第四节 激光器的类型
按工作物质分 气体激光器 固体激光器 半导体激光器 液体激光器 按工作方式分 连续激光器 脉冲激光器
放电激发方式
直流放电 交流放电 常用
无电极的高频放电 高压脉冲
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二、固体激光器
1. 固体激光器的一般结构 工作物质 激活离子镶嵌在晶体或玻璃之类的固体基质中，密 度比气体工作物质大得多，固体基质通常做成棒状 泵浦源 光泵抽运，常用氙灯或高压水银灯，其发光可以连 续，也可以是脉冲的 固体基质端面抛光成光学平面，镀上反射膜，构成 谐振腔，也可以用两个反射镜构成谐振腔
再反馈，如此往复，就可以产生“雪 崩”般的效果，激光束就从腔的端面 射出
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二、激光器的组成
工作物质 泵浦源 谐振腔 1.工作物质 能被激发至粒子数反转的原子或分子集合—激活介质 是产生激光的内因 光放大器 能级结构决定产生激光的频率
气体
激光器根据工作物质分类 固体
如He-Ne激光器 如红宝石激光器
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1.气体激光器 以气体为工作物质，气体介质的均匀性好，输出激光的单 色性和相干性较好。 一般采用电激发，效率高、寿命长 常用于精密测量、全息技术等 2.固体激光器
以固体为工作物质，由于晶体缺陷和温度引起的光学不均匀性， 不易获得单模而倾向于多模输出，相干性比气体激光器差 一般采用光激励，其能量转换环节多，效率低 脉冲峰值功率高，可用于工业加工如打孔、焊接等
产生激光振荡，形成光子的雪崩式放大——光子的共振 是产生激光的重要外因 谐振腔 ＝ 激光振荡
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三、产生激光的条件
1)受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件 2)工作物质必须具有亚稳态能级,至少有三个能级 3) 形成粒子数反转，使受激发射多于受激吸收
4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必须有一个谐振腔
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光子的质量 光子的动量
h m 2 2 c c h h p mc c

光的波粒二象性 通过公式
h
和
h h p mc c
紧密联系在一起
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三能级系统产生粒子数反转的例子 粒子数原来呈玻耳兹曼分布 激发 原子从E1能级上升到E3能级
E1和E3间的原子数达到动态平衡
E1和E3间的不形成粒子数反转 E1和E2间的形成粒子数反转 E1最稳定 E3最不稳定 E2较稳定——亚稳态（粒子数反转的必要条件） 第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激光 器采用了四能级系统，如钕玻璃激光器
较高能级 ＝ 受激吸收
发射光子
两种途径 1）直接回到基态 共振辐射 2）通过中间能级回到基态 荧光
光致发光方式
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碰撞激发 氢灯、汞灯、钠光灯的激发方式
发射
机理 阴极 电子
电场作用
获得动能的电子
碰撞 激发 能量传递
高能级的原子 共振转移
原子
基态的原子
碰撞
跃迁
激发态
回到 基态 激发态的原子 电致发光方式如：气体放电光源氢灯、汞灯等
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第三节 激光的基本原理
爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射 继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果， 最后就可得到单色性极强的辐射，即激光(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射的光放大 自发辐射发光 受激辐射光放大 雪崩似地放大 激光
白光
激光
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2.方向性强
激光的方向性很高，经过长距离之后，它仍然为细 小的光束而不散开，而普通光源则会散开
激光的方向性是以发散角来度量 ，发散角愈大，代 表方向性愈差。 角度以弧度或毫弧度为单位。
普通光源
激光
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3.相干性高 普通光源是通过自发辐射发光，光源上各点发射的 光无固定的相位关系，不是相干光。激光是通过受 激辐射发光，光源上各点发射的光相位恒定，是相 干性良好的相干光
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第二节 自发发射、受激发射与受激吸收
一、自发发射
处在高能级上的原子，都具有向往稳定而自发地 回到低能态地特性，当它们返回低能级时以光的 形式释放出能量。
发射的光波的特点： （对于二能级系统） 频率相同 位相不相关 偏振方向和传播方向随机分布 非相干的自然光
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二、受激发射
光子作用于高能级的原子上时产生受激发射
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3.半导体激光器 体积小、重量轻、寿命长、结构简单 便于直接调制 广泛的应用于光通信、光电测距及光信息存储与处理 4.液体激光器 突出特点是波长连续可调 种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体 激光器相媲美 应用于分光光谱、光化学、医疗和农业
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一、气体激光器 1. 气体激光器的一般结构 气体激光器的三种典型结构
第十章 光的量子性和激光基础
光的电磁理论 解释了
光传播时的干涉、衍射和偏振等具有波 动性质的光现象
无法解释 光与物质相互作用（如黑体辐射，光电效应 1900年 普朗克提出辐射能量子的假设。 1905年 爱因斯坦引进光子的概念，发展了自发辐射和受激 辐射的理论，预言存在原子产生受激辐射放大的可能性。 1960年 梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器 同年制成氦氖激光器 1962年 产生了半导体激光器
最低能级的量子态的原子数
N i gi N 0 exp( Ei / kT )
处在激发能为Ei的能 级上的原子数目 该能级的统计 权重或简并度
系统的热力学温度 波耳兹曼常数
当T升高，Ni迅速增加，它们向低能级跃迁时，会发射出光子 许多气态物质，特别是金属蒸气，加热易发光
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辐射激发 基态
吸收光子 跃迁
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一、激光器运转的物理过程
用激发方式或其它方式（如化学反应方 式），把低能级的原子激发到高能级 上——泵浦
不稳定的高能级原子会下降到亚稳态能 级，造成亚稳态能级与基态能级间的粒 子数反转
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亚稳态能级上的原子跃迁到基态，自 发辐射出各个方向的光子
光学谐振腔从光子中选择沿腔轴线方 向传播的光子，将它反馈回来，再刺 激亚稳态上能级上的原子，造成受激 发射，产生成倍增加的光子
5)光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多
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只有增益满足振荡域值条件且频率又等于谐振频率的光波才能 形成激光
激光器的输出频率是由谐振腔和工作介质共同确定的 可以通过改变腔长来选择激光输出的纵模 纵模与激光单色性关系
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五、激光的特性
1.单色性好 普通的白光有七种颜色，频率范围很宽。而激光是一 种单色光，频率范围极窄，发散角很小 白光和激光的比较