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1、氢原子结构的量子理论1第1页，此课件共40页哦一、激光的产生与激光器一、激光的产生与激光器二、激光的特性与应用二、激光的特性与应用光的光增益光的光增益光学谐振腔光学谐振腔产生激光的条件产生激光的条件激光器激光器激光的特性激光的特性激光的应用激光的应用激光原理及其应用激光原理及其应用2第2页，此课件共40页哦高高高高能能能能级级级级低低低低能能能能级级级级 1.原子数按能级分布原子数按能级分布 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律玻尔兹
2、曼分布律:ENE2E1N2N1光光的的光光增增益益3第3页，此课件共40页哦受激吸收受激吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射光子与光子与原子原子分子分子 相互作用相互作用离子离子2.光与物质相互作用光与物质相互作用光光的的光光增增益益4第4页，此课件共40页哦(1)受激吸收过程受激吸收过程外来光子外来光子:能级能级跃迁跃迁:光光的的光光增增益益5第5页，此课件共40页哦受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数粒子体系在单位时间粒子体系在单位时间、单位体积内吸收的光子数单位体积内吸收的光子数B12 (21)N1低能级低能级低能级低能级E E1 1 1 1的
3、粒子数密度的粒子数密度的粒子数密度的粒子数密度外来光场中频率外来光场中频率 的能量密度的能量密度W12=B12 (21)受激吸收概率受激吸收概率:光光的的光光增增益益6第6页，此课件共40页哦(2)自发辐射过程自发辐射过程高高能能级级上上的的粒粒子子自发地自发地低能级低能级跃迁跃迁激活粒子的平均寿命激活粒子的平均寿命:2 2自发辐射概率为自发辐射概率为光光的的光光增增益益7第7页，此课件共40页哦 设粒子体系处于能级设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为上的粒子数密度为N2一般激发态粒子寿命一般激发态粒子寿命:某些物质存在亚稳态能级某些物质存在亚稳态能级:单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光
4、子单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子数是：数是：A21 N2自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数光光的的光光增增益益8第8页，此课件共40页哦(3)受激辐射过程受激辐射过程趋近高能级趋近高能级E2上的粒子时上的粒子时外来光子满足频率条件外来光子满足频率条件感应跃迁至低能级感应跃迁至低能级E1发射一个全同光子发射一个全同光子发射一个全同光子发射一个全同光子 (频率相同、频率相同、频率相同、频率相同、传播方向相同、传播方向相同、传播方向相同、传播方向相同、偏振方向相同偏振方向相同偏振方向相同偏振方向相同)光光放放大大光光的的光光增增益益9第9页，此
5、课件共40页哦B21 (21)N2 在在光场光场 (21)作用下作用下,单位时间、单位体积内单位时间、单位体积内受激辐射产生的光子数为受激辐射产生的光子数为W21=B21 (21)受激辐射概率受激辐射概率 受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数B21 (21)=B12 (21)跃迁概率相等跃迁概率相等:受激吸收受激吸收 受激辐射受激辐射同时存在同时存在光光的的光光增增益益10第10页，此课件共40页哦受激吸收总是占优势受激吸收总是占优势表现为光的吸收表现为光的吸收通常情况下通常情况下：N1 N2B21 (21)N1 B12 (21)N2 粒子数分布反转
6、粒子数分布反转受激辐射占优势受激辐射占优势为得到光放大为得到光放大,必须使必须使N2 N1光光的的光光增增益益11第11页，此课件共40页哦1)实现粒子数反转分布的条件实现粒子数反转分布的条件电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励(A)激励激励(又称泵浦又称泵浦)3.介质对光的增益作用介质对光的增益作用光光的的光光增增益益12第12页，此课件共40页哦光激励光激励光光的的光光增增益益13第13页，此课件共40页哦电激励电激励光光的的光光增增益益14第14页，此课件共40页哦(B)合适的能级结构合适的能级结构 二能级系统二能级系统 用光泵的方法不可能实现用光泵的方法不可能实现粒子数
7、反转分布粒子数反转分布光光的的光光增增益益15第15页，此课件共40页哦 三能级系统三能级系统三能级系统三能级系统 当泵浦光当泵浦光当泵浦光当泵浦光足够强时，有可能使足够强时，有可能使足够强时，有可能使足够强时，有可能使N N3 3 N1,在能级在能级在能级在能级E3 3 于于E2 间间实现粒子数反转。实现粒子数反转。光光的的光光增增益益E3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亚稳态能级亚稳态能级16第16页，此课件共40页哦在在 E2 和和E1 能级间能级间也有可能实现粒子也有可能实现粒子数反转。数反转。亚稳态能级亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21
8、N3NE0N17第17页，此课件共40页哦红宝石激光器的工作物质：红宝石红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（是掺有少量铬离子（Cr3+)的的（Al2O3)晶体。晶体。采用光激励方法：采用光激励方法：受激和发光都在受激和发光都在Cr3+上上进行，进行，是典型的三能级是典型的三能级系统系统。光光的的光光增增益益18第18页，此课件共40页哦 四能级系统四能级系统 比三能级系统容易实现粒比三能级系统容易实现粒子数反转分布。子数反转分布。光光的的光光增增益益19第19页，此课件共40页哦 氦氖气体激光器是四能级系统氦氖气体激光器是四能级系统氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转分布实现粒子
9、数反转分布光光的的光光增增益益s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电电子子碰碰撞撞激激发发电电子子碰激激发发管管壁壁效效应应自发辐射自发辐射632.8nm共共振振转转移移20第20页，此课件共40页哦zdz增益介质增益介质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质2)介质的增益作用介质的增益作用zdI(z)z z+dzL通过增益介质后通过增益介质后,光强随距离增长光强随距离增长介质对光的增益系数介质对光的增益系数光光的的光光增增益益21第21页，此课件共40页哦一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔
10、。1.光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用光光学学谐谐振振腔腔激光在两反射镜间形成激光在两反射镜间形成驻波驻波。谐振条件为。谐振条件为2nL=q =q c 2nL L:腔长腔长 n:气体折射率气体折射率22第22页，此课件共40页哦振荡模式振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用波基本形式，用TEMmnq表示。表示。m和和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数的节点数,称称横模数横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称称纵模数纵模数。1)纵模纵模 能引起振荡的频率
11、关系。能引起振荡的频率关系。2)横模横模 光场在横向不同的稳定分布。光场在横向不同的稳定分布。光光学学谐谐振振腔腔23第23页，此课件共40页哦IxyITEM00横模横模IyIxTEM10yIIxTEM11光光学学谐谐振振腔腔24第24页，此课件共40页哦(1)要有适当的激光工作物质。要有适当的激光工作物质。(2)要有外界激励源。要有外界激励源。(3)要有激光谐振腔。要有激光谐振腔。激光形成的基本条件激光形成的基本条件1.激光形成的基本条件激光形成的基本条件产产生生激激光光的的条条件件25第25页，此课件共40页哦2.激光形成的阈值条件激光形成的阈值条件 光在谐振腔内受到各种光在谐振腔内受到各
12、种损耗损耗:(1)反射镜的透射损耗。反射镜的透射损耗。(2)谐振腔的内部损耗。谐振腔的内部损耗。I3I1I0rr12I4I2 光在腔内往返一次不会被衰减的条件，光在腔内往返一次不会被衰减的条件，即即形形成激光振荡的阈值条件：成激光振荡的阈值条件：产产生生激激光光的的条条件件26第26页，此课件共40页哦产产生生激激光光的的条条件件由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转。工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转。(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引起受激辐射。
13、子在工作物质中引起受激辐射。(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返振荡，不断得到放大。振荡，不断得到放大。(4)满足阈值条件下形成激光。满足阈值条件下形成激光。27第27页，此课件共40页哦1.激光器的组成激光器的组成谐振腔谐振腔工作物质工作物质激励系统激励系统激激光光器器28第28页，此课件共40页哦固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器按工作物质分类按工作物质分类2.激光器的分类激光器的分类激激光光器器29第29页，此课件共40页哦气体激光器气体激光器工作物质：原子气体、分子气体和离子气体工作物质：原子气
14、体、分子气体和离子气体工作物质：原子气体、分子气体和离子气体工作物质：原子气体、分子气体和离子气体氦氖激光器氦氖激光器氩离子激光器氩离子激光器30第30页，此课件共40页哦液体激光器液体激光器工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。染料激光器染料激光器31第31页，此课件共40页哦半导体激光器32第32页，此课件共40页哦紫外激光器紫外激光器可见光激光器可见光激光器红外激光器红外激光器按波段范围分类按波段范围分类激激光光器器脉冲激光器脉冲激光器连续波激光器连续波激光器按运转方
15、式分类按运转方式分类33第33页，此课件共40页哦 激光束发散角小，接近衍射极限，约为激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级，对应的主体角在量级，对应的主体角在10-6sr量级。量级。普通光源发出的光辐射沿普通光源发出的光辐射沿4 立体角分布，立体角分布，比激光束大比激光束大106倍。激光束是高度平行的倍。激光束是高度平行的光束。光束。1.方向性好方向性好激激光光的的特特性性34第34页，此课件共40页哦光波的单色性可表示为光波的单色性可表示为 氦氖激光的单色性比单色性最好的普通氦氖激光的单色性比单色性最好的普通光源，如氪灯好光源，如氪灯好 倍。倍。谱线宽度谱线宽度中心波长中心波
16、长=2.单色性好单色性好激激光光的的特特性性35第35页，此课件共40页哦3.亮度高亮度高 激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用用 开关的激光器，可输出脉宽开关的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极短的时间内发射出来，因此光功率极高。高。激激光光的的特特性性36第36页，此课件共40页哦 由于激光具有高单色性和高定向性，决由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相定了激光具有极好
17、的时间相干性和空间相干性。干性。特制的氦特制的氦 氖激光器输出的光束，相干长氖激光器输出的光束，相干长度达度达2 107km。氪灯只有。氪灯只有38.5cm。4.相干性好相干性好激激光光的的特特性性37第37页，此课件共40页哦1.激光加工激光加工 利用聚焦激光束具有极高功率密度的特性，利用聚焦激光束具有极高功率密度的特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、划片、可以对材料进行打孔、切割、焊接、划片、雕刻、去重和热处理。雕刻、去重和热处理。优点：无实体接触、加工精度高优点：无实体接触、加工精度高(1 m以下以下)、畸变小、节能。畸变小、节能。2.激光精密计量激光精密计量 激光的单色性好，相激光的
18、单色性好，相干性强，用作计量检测，干性强，用作计量检测，具有很高的精度。具有很高的精度。激激光光的的应应用用38第38页，此课件共40页哦 3.激光信息处理激光信息处理 激光的相干性好，用它作为光源，能够激光的相干性好，用它作为光源，能够使存储、传递、处理信息的容量和速度使存储、传递、处理信息的容量和速度大幅度增加。大幅度增加。激激光光的的应应用用39第39页，此课件共40页哦4.激光在科学实验上的应用激光在科学实验上的应用 由于激光具有优异的特性，激光技术由于激光具有优异的特性，激光技术已成为整个科学技术领域强有力的研究已成为整个科学技术领域强有力的研究工具。工具。20世纪世纪80年代，激光冷却和捕陷原子在年代，激光冷却和捕陷原子在理论和实践上取得重大突破。理论和实践上取得重大突破。激激光光的的应应用用40第40页，此课件共40页哦