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1、 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射 激光激光(Laser)，它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。激激 光光1一一.特点：特点：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10-4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。时间相干性好（时间相干性好（10-8埃），埃），相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好亮度极高亮度极高2 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达10
2、4 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W）三三.波长：波长：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米(100 n m）（1.222 m m）二二.种类：种类：固体（如红宝石激光器固体（如红宝石激光器世界上第一台激光器世界上第一台激光器 液体（如某些染料）液体（如某些染料）气体（如气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）按工作物质分按工作物质分31 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布
3、服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布：4 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比则两能级上的原子数目之比 5但要产生激光必须使原子激发但要产生激光必须使原子激发;且且 N2 N1,称粒子数反转称粒子数反转.原子激发的几种基本方式：原子激发的几种基本方式：1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)6 2 自发辐射自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收一一.自发辐射自发辐射 设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：
4、的原子数：E2E1N2N1h 7写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。8二受激辐射二受激辐射E2E1N2N1全同光子全同光子h B21受激辐射系数受激辐射系数9受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同(相干光）相干光）-有光的放大作用。有光的放大作用。10三三.吸收吸收E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子上述外耒光也有
5、可能被吸收，使原子 从从E1E2。写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数11A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 1年从理论上得出年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。B21 =B12123 粒子数反转粒子数反转一一.为何要粒子数反转为何要粒子数反转 从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程。必须必须 N2 N1（粒子数反转）。粒子数反转）。产生激光必须产
6、生激光必须 134 增益系数增益系数激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时，并存着来回传播时，并存着 增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要（包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。的激光输出）等。激光形成阶段：增益损耗激光形成阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗激光稳定阶段：增益损耗增益增益损耗损耗14在激光的形成阶段在激光的形成阶段G Gm,光放大光放大在激光的稳定阶段在激光的稳定阶段 G=Gm通常称通常称-为阈值条件。为阈值条件。155光学谐振腔光学谐振腔激光器有两个反射镜，激光器有两个反射镜，它
7、们构成一个光学谐振腔。它们构成一个光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光16光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）；2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。对于可能有多种跃迁的情况，对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。可以利用阈值条件来选出一种跃迁。17小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件.激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发）.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）18激光的特性及其应用激光的特性及其应用方向性极好的强光束方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。准直、测距、切削、武器等。相干性极好的光束相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。精密测厚、测角，全息摄影等。19