大学物理课件10激光

《大学物理课件10激光》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理课件10激光（35页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,第二十章 激光,主要内容：,激光,,20.1,光与物质作用的基本过程,物质——,原子体系,基态,,激发态,,光——,光子体系,（能量:,h,,;,动量:,h,/c,;,,质量:,h,/c,2,),基本模型,考虑与产生激光有关的两个原子能级,E,1,和,E,2,(E,2,>E,1,),，,以使问题大为简化。,,一、自发辐射,,（,spontaneous radiation）,高能级,E,2,上的原子自发地跃迁到低能级,E,1,发出,,光子过程，称为自发辐射。,E,2,E,1,N,2,N,

2、1,h,,,设单位体积中处于,E,1,,、,E,2,能级的粒子数为,N,1,,、,N,2,E,2,,,,E,1,自发辐射,的原子数为,,则,单位体积,中，,dt,时间,从,它是,单个原子单位时间内发生自发辐射概率。,,指数衰减律,,Ａ,21,,自发辐射系数，,注意到：,dN,21,=,–dN,2,,于是有,E,2,E,1,N,2,N,1,h,,,,1,0,自发辐射的各原子发的光是,独立的,、,无关的非相干光,。,2,0,考虑原子在,E,2,能级的平均停留时间,称为原子在,E,2,能级的平均寿命。,▲,例:,原子在一秒钟内发生自发辐射概率为1/10，,,则该原子在激发态,E,2,平均停留

3、时间为 10秒。,一般激发态寿命：,一般亚稳态寿命：,,二、吸收,（,absorption）,外来光频率满足,h, = E,2,– E,1,时，,E,1,能级粒子吸收一个光子，跃迁到,E,2,能级，称为,受激吸收,E,1,,,,E,2,受激吸收,的原子数为,,则,单位体积,中，,dt,时间,从,它是,单个原子单位时间内发生受激吸收概率。,,,B,12,,受激吸收系数，,,w,,,,光谱辐射能量密度,受激吸收概率,E,2,E,1,N,2,N,1,h,,h,,h,,,三、受激辐射,,(,stimulated radiation,),外来光频率满足,h, = E,2,– E,1,时

4、，,E,2,能级粒子受其刺激,，,跃迁到,E,1,能级，同时辐射一个,与外来辐射完全相同,的光子，,称为,受激辐射。,E,2,E,1,N,2,N,1,h,,E,2,,,,E,1,受激辐射,的原子数为,,则,单位体积,中，,dt,时间,从,它是,单个原子单位时间内发生受激辐射概率。,,,B,21,,受激发射系数，,受激发射概率,定义,,1,0,受激辐射光与入射光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同——,有光的放大作用。,2,o,,实际系统中，三种过程同时存在，只是各种过程所占比重不同。三种过程强弱由三个系数，,即,A,2l,、,B,2l,和,B,,12,表征，它们之间关系是,,3,o,,

5、比较受激辐射与吸收的强度，有,在室温下：,,20.2,激光形成原理,问题提出,:,,我们希望产生,光放大,——受激辐射。,,在,什么条件,下，受激发射可以大于吸收,。,一、粒子数反转,(,population inversion,),单位时间、单位体积内：,吸收的光能量是：,受激辐射的光能量是：,净增加的光能量是：,,光强与光能量关系是,利用三个系数关系,——增益系数,,显然：,光强减少,光吸收,光强增加,光放大,（称为粒子数反转）,二、激光工作物质,问题提出,:,,N,2,<,N,1,N,1,N,2,E,n,N,n,在,平衡态下，,原子数目按能级分布服从,玻耳兹曼统计分布：,,,在,什么条

6、件,下，可以实现粒子数反转,：,寻求具有特殊能级结构的物质；,——称为激光工作物质,具有激励能源，使尽可能多的粒子由低能级激发到高能级。,——称为泵浦源,1.二能级系统,E,1,E,2,B,12,B,21,A,21,二能级物质是不能实现粒子数反转。,,2.三能级系统,E,1,——,基态能级,E,2,——,亚稳态能级,E,3,——,泵浦的高能级,在,E,1,与,E,2,之间实现粒子数反转，,泵浦能量高,3.四能级系统,E,1,E,2,B,13,W,21,A,31,W,12,A,21,S,32,A,32,E,1,E,2,W,14,W,32,A,41,S,21,A,32,S,43,A,23,E,1,

7、——,基态能级,E,2,——,激光下能级,E,3,——,激光上高能级,E,4,——,泵浦的高能级,在,E,2,与,E,3,之间实现粒子数反转,,三、,光学谐振腔,(,optical harmonic oscillator,),,,若光能多次重复进出工作物质，可以提高光与物质相互作用的等效长度。能够稳定实,现光反馈的装置称为,光学谐振腔,。,,（上图是,平行平面,光学谐振腔的结构示意图）,,激励能源,全反射镜,部分反射镜,激光,沿轴向光子，在两反射镜之间往返。引起工作物质的受激发射，产生出,频率,、,位相,、,偏振方向,和,传播方向,都相同的光子，输出,激光,。,,四、阈值条件,,,工作物质的吸

8、收、散射和反射镜的吸收、 透射等因素而出现损耗。要产生激光振荡，必须满足一定条件，称之为,阈值条件,。,光在谐振腔中往返一次，须满足,全反射镜,部分反射镜,激光,L,是谐振腔腔长；,r,1,、,r,2,是两反射镜光强反射率。,,阈值条件,,20.3,激光的模式与性质,一、激光的纵模和单色性,,由于相干性要求，满足相干极大条件光波，才能存在，否则受到抑制，逐渐消失。将腔内允许存在的波长和频率称为,激光的纵模,。,,,输出,L,A,某时刻,A,处光有刚产生的, 也有来回反射,一次,、,两次,、. . .的, 产生干涉。,相长干涉,才有输出, 条件为:,光程差,,(,k,=1、2、3、…．),,例

9、子,：,氦氖激光器,Ne,原子的,0.6328,,m,受激辐射光的谱线宽度为,,,，,如图示。,,k＝1,2,3…,,,k,—,真空中的波长,L,k,=1,k,=2,k,=3,n,—,谐振腔内媒质的折射率,,,,0,,,,,,1.3,,10,9,Hz,,,数量级估计：,,Ｌ,～ 1,m ；,n,～ 1.0 ；,,c,～３×10,8,m,,s,因此，在,,,区间中，可以存在的,频率种数,为：,I,I,0,通过缩短腔长和控制反射镜膜厚等手段可使输出频率数减少。,,I,区间中只存在一种频率。,则,,,k,要增大到10倍，,在,,区间中只可能存在,例如利用,缩

10、短腔长,来,加大,,,k,，,可以使,,,一种频率。,如,上述,He—Ne,激光器,L,从 1,m,缩短到 0.1,m,，,（但损失了光强）,获得了线宽极窄的,0.6328,,m,,,,谱线激光输出。,极大地提高了单色性。,,,激光束在横截面上光强的分布常呈现一系列有规则的稳定图样，这种稳定分布的图样，称为,激光的横模。,表示,：,用,TEMxy,表示，,TEM,是横电磁波的英文缩写，下标,x,y,是激光束在横截面上,x,方向、,y,方向出现暗区的数目。,,二、激光的横模和相干性,TEM,10,TEM,13,TEM,00,TEM,11,x,y,x,x,x,y,y,y,,TEM,10,

11、，TEM,11,…,称为,高阶横模,。,,原因,：,光束通过反射，,,由于反射镜限制，产生,,多次衍射，导致光束截,,面上能量的稳定分布。,,一种稳定的横向光场分,,布对应一个横模。,,多次衍射导致不同方向光波的混淆，使光束截面上一点振动与截面上各点振动相互关联，使激光具有,良好的相干性,。,TEM,00,称为,基横模,，,2a,L,,三、,激光的特点,,1.单色性好和波长范围很宽,,单色性好,：,指光源包含的波长范围越窄，或颜色,,越单纯,,比较：,氪灯，在,λ,=6047,Å,处，,,Δλ=,0,.,0047,Å,，Δλ／λ≈10,-7,,Δλ=,10,-7,Å,，Δλ／λ≈,10,-11

12、,,氦—氖气体激光，,λ,=6328,Å,处,波长范围很宽,：,,不同激光工作物质产生的激光谱线数目已多至上万个，这些谱线覆盖从紫外到远红外的光谱范围，近年来，其波长已扩展到,X,射线波段。,,,2.,亮度和强度极高,脉冲瞬时功率可达～10,14,W,,～,光源亮度：,强度：,非聚焦状态,I,>,亮度：,B,～,,S,,p,,,可产生10,8,K,的高温，引起核聚变,聚焦状态可达到,,3.方向性好,,▲,投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里，,▲,发散角可小到,,10,-4,red（,,0.1,）,测地—月距离精度达几厘米。,▲,激光良好的方向性，适合于光盘、激光印刷、,,

13、激光打印、激光扫描、激光显示、激光打标,,等领域的应用,,4.相干性好,,,空间相干性好，激光波面上各个点可以,,时间相干性好，,相干长度可达几十公里。,做到都是相干的。,,5.高速调制,,半导体激光器，可对激光直接进行高速调制，调制速度可高达几万兆赫，或几万兆比特,,适合光通信、光存储、光计算、光印刷等信息领域的需要,,6.明显的光压效应,,光是有动量:,h,ν/c,,▲,激光的辐射强度高，可以有明显的,光压效应,,▲,在微电子领域，可用激光辐射压力来清洗半导体片子；,,▲,激光压力形成“光学镊”，将精子和卵细胞无损伤地放到妇女输卵管中，提高怀孕成功率,,,20.4,激光器 激光应用,

14、按工作介质分类:,,固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器,,按激光输出方式分类：,,连续激光器和脉冲激光器,,一、典型激光器,2.固体激光器,,●,具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点,,●,连续功率可达,万,W,以上，脉冲峰值功率可高达,10,9,W,,●,制备较复杂，因而价格较贵,,,2.气体激光器,,●,常见的气体激光器有：,He－Ne，CO,2,，Ar,＋,●,具有结构简单、造价低；操作方便；工作介,,质均匀，光束质量好,,●,品种最多、应用广泛，占有市场达,60,％左右,,3.半导体激光器,,体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,,在光纤通信和光盘技术中有广泛应

15、用,,4.液体激光器或染料激光器,,5.化学激光器,、,X,光激光器,、,自由电子激光器,,,二、激光的应用,利用激光高强度、良好的聚焦性(平行性),,控制光栅刻机等。,绘制集成电路图，,如芯片电路的准确分割，,切割(连续打孔)：,调节精密电阻，,可在大气中进行。,迅速、非接触，,焊接(烧熔)：,可加工硬质合金钻石等。,钻孔(烧穿)：,★,加工：,效率高，,,雷达（分辨率高，可测云雾）等。,,★,测量：,准直、测距等。,★,医疗：,激光手术刀，,血管内窥镜，,治癌等。,★,军事：,激光制导，,激光炮等。,★,核技术：,激光分离同位素,（还利用了频率,准确的特点），,激光核聚变,（10,7,─1

16、0,9,K,,氘─氚小弹丸）等。,利用激光极好的相干性：,★,测量：,精密测长、,测厚、,测角，,测流速,（10,-5,─10,4,m/s），,定向（激光陀螺），,测电流、电压（磁光效应），,激光,,抗干扰性强。,★,探测：,微电子器件表面探测,（激光─原子力,显微镜可测25个原子厚度的起伏变化,),，,单原子探测,（利用光谱分析能测出,10,20,个原子中的一个原子）。,★,全息技术：,全息存储，,全息测量，,全息电影，,全息摄影等。,★,激光光纤通讯：,载波频率高（10,11,─10,15,Hz），,信息容量大，,清晰，,功耗小，,,用脉冲的染料激光（波长585,nm）,处理皮肤色素沉着,处理前,处理后,,用激光使脱落的视网膜再复位,（目前已是常规的医学手术）,,,激光焊接,高能激光（能产生约5500,o,C,的高温）把大块硬质材料焊接在一起,,,激光核聚变,这是激光,NOVA,靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。,,,1,,