激光检测技术.pptx

1在检测方面的应用：主要应用于精密仪器测量尺寸，如测长、测厚、直径；干在检测方面的应用：主要应用于精密仪器测量尺寸，如测长、测厚、直径；干涉测量、衍射测量涉测量、衍射测量 、准直测量、小角度测量、激光全息干涉测量等。、准直测量、小角度测量、激光全息干涉测量等。激光器的种类激光器的种类（按工作物质分）（按工作物质分）：固体：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石（固体：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石（YAG)YAG)功率大；用于对产品的加工、军事。功率大；用于对产品的加工、军事。气体：氦氖、气体：氦氖、COCO2 2 等等,输出功率比固体小，单色性好。光谱线从紫外区远红外区。输出功率比固体小，单色性好。光谱线从紫外区远红外区。He-Ne He-Ne：频率和功率稳定，用于精密计量。：频率和功率稳定，用于精密计量。COCO2 2 ：输出功率大、效率高，用于加工。输出功率大、效率高，用于加工。液体：染料激光器（染料在乙醇、甲醇或水等溶剂中的溶液）液体：染料激光器（染料在乙醇、甲醇或水等溶剂中的溶液）染料：在可见光谱区间内具有强烈吸收性能的有机化合物。染料：在可见光谱区间内具有强烈吸收性能的有机化合物。工作物质易制造；光学稳定性差，不能连续或高频脉冲方式工作，应用工作物质易制造；光学稳定性差，不能连续或高频脉冲方式工作，应用 范围小。范围小。半导体：砷化镓等。半导体：砷化镓等。体积小，效率高，可靠性高，短距离通讯或测距等。体积小，效率高，可靠性高，短距离通讯或测距等。19601960年第一台激光器问世。年第一台激光器问世。激光光电检测激光光电检测2光束的发散角光束的发散角2 2：两光线之间的最大夹角：两光线之间的最大夹角。第一章第一章 激光基本原理激光基本原理 一、激光的方向性以及高亮度一、激光的方向性以及高亮度 1-1 1-1 激光的基本特性激光的基本特性激光束是在空间传播的圆锥光束激光束是在空间传播的圆锥光束。当当角很小时，其立体角为角很小时，其立体角为当当 弧度时，弧度时，激光的方向性比普通光源发出的光好得多。激光的方向性比普通光源发出的光好得多。1.1.方向性方向性 单位：单位：sr sr 或或 球面度球面度 立体角立体角：内容：内容：激光的基本特性、激光的基本特性、激光的产生、光激光的产生、光 谱线的谱线的 加宽、光学谐振腔、激活介质的能级系统、加宽、光学谐振腔、激活介质的能级系统、激光器的增益激光器的增益.3一般的氦氖激光一般的氦氖激光 等于单位面积的光源表面在其法线方向上的单位立体角范围内输出的辐射功率。等于单位面积的光源表面在其法线方向上的单位立体角范围内输出的辐射功率。一个发光面积为一个发光面积为 S S的光源，在时间的光源，在时间 内向着法线方向上的立体角内向着法线方向上的立体角 范围内发范围内发射的辐射能量为射的辐射能量为 ，则光源表面在该方向上的亮度，则光源表面在该方向上的亮度 等于等于2.2.亮度亮度（瓦米（瓦米 球面度）球面度）越小，越小，越短越短,越高。越高。越高越高太阳太阳 激光的发光时间很短，激光输出功率可以很高。激光的发光时间很短，激光输出功率可以很高。激光能量在激光能量在空间和时间空间和时间上的高度集中，才使得激光具有普通光所达不到的高亮度。上的高度集中，才使得激光具有普通光所达不到的高亮度。如果单位面积辐射功率相同如果单位面积辐射功率相同,氦氖激光器的亮度比太阳光的氦氖激光器的亮度比太阳光的亮度高了亮度高了0.8100.8107 7倍倍.1-1 激光的基本特性激光的基本特性例如，例如，普通的调普通的调Q Q红红宝石激光器宝石激光器脉冲功率达到脉冲功率达到10106 6 W W，亮度比太阳要高，亮度比太阳要高10101010倍倍亮度比高压脉冲氙灯要高亮度比高压脉冲氙灯要高3737亿倍亿倍.红宝石巨脉冲激光器：每红宝石巨脉冲激光器：每cm2cm2输出功率达输出功率达1kMW,1kMW,发散角接近发散角接近1 mrad1 mrad4二、激光的单色性和时间相干性二、激光的单色性和时间相干性(一一)激光的单色性激光的单色性 为普朗克常数，为普朗克常数，6 66262010 J.s 6262010 J.s 不是单一的，有一定的频率宽度不是单一的，有一定的频率宽度 .中心频率中心频率同种原子从高能级同种原子从高能级E2E2自发向低能级自发向低能级E1E1作辐射跃迁时作辐射跃迁时,将发射一条中心频率为将发射一条中心频率为的光谱线的光谱线.l谱线的线型函数谱线的线型函数:谱线相对光强按光频的分布关系。谱线相对光强按光频的分布关系。I I 谱线总光强；谱线总光强；I(I()是频率为是频率为 的光的光强的光的光强.为归一化线型函数。为归一化线型函数。1-1 激光的基本特性激光的基本特性5(一一)激光的单色性激光的单色性 由由 (c(c：光速：光速)求出求出l波长宽度波长宽度 与与 的关系：的关系：例：例：中心频率l频率宽度或原子谱线的宽度：频率宽度或原子谱线的宽度：和和 越窄，光的单色性就越好。越窄，光的单色性就越好。1-1 激光的基本特性激光的基本特性 光光 源源 波长波长（mm）线宽线宽（m m）相干长度相干长度LmaxLmax Kr Kr8686（灯）（灯）0.6057 4.7 X 10 0.6057 4.7 X 10-7-7 38.5cm 38.5cm单纵模氦氖激光器单纵模氦氖激光器 0.6328 100.6328 10111110101212 几几+km+km激光的时间相干性比普通光源所发出的光好得多。激光的时间相干性比普通光源所发出的光好得多。激光与普通光源的时间相干性比较激光与普通光源的时间相干性比较6三、激光的空间相干性三、激光的空间相干性杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验1.1.设狭缝很窄设狭缝很窄(不考虑线度不考虑线度)光程差：光程差：暗条纹暗条纹亮条纹亮条纹K K0 0，11，22 ，：干涉条纹的级。：干涉条纹的级。2.2.狭缝狭缝S S宽度为宽度为2 b2 b ：光程差：光程差，与与 产生的产生的 两套亮暗条纹不致两套亮暗条纹不致亮亮暗暗重合重合当满足当满足时时空间相干性空间相干性：指光源空间不同点，同一时刻发出的：指光源空间不同点，同一时刻发出的光波之间的相干性，光波之间的相干性，通常用相干面积来度量通常用相干面积来度量。1-1 激光的基本特性激光的基本特性双缝间距为双缝间距为d d7当当 时，条纹模糊，不再产生干涉时，条纹模糊，不再产生干涉.R R 和和 一定时，一定时，和和 一定时，一定时，产生干涉，产生干涉，有空间相干有空间相干性。性。实验装置绕实验装置绕Z Z轴转轴转9090度，实验结果不变。度，实验结果不变。相干面积相干面积通过相干面积通过相干面积 内的两点的光是相干的。内的两点的光是相干的。与普通光源相比，激光光源的发射面积很小，与普通光源相比，激光光源的发射面积很小，有极高的亮度，是一种理想的强相干光源。有极高的亮度，是一种理想的强相干光源。扩展激光束覆盖双缝扩展激光束覆盖双缝，则在观察屏，则在观察屏B B上就总可上就总可以看到十分清晰的干涉图样以看到十分清晰的干涉图样.激光束在整个横截面内都是空间相干的。激光束在整个横截面内都是空间相干的。1-1 激光的基本特性激光的基本特性三、激光的空间相干性三、激光的空间相干性8（二）激光的时间相干性（二）激光的时间相干性迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪可动反射光束透射光束波的叠加干涉条纹图示相干长度相干长度光程差光程差(K为亮暗交替的次数为亮暗交替的次数)两光干涉相长，两光干涉相长，P P点最亮；点最亮；，干涉相消，干涉相消，P P点最暗点最暗。绝对的单色光，干涉效应始终存在绝对的单色光，干涉效应始终存在。不存在不存在相干长度：相干长度：可相干的最大光程差可相干的最大光程差。相干时间：光在相干长度内传播的时间相干时间：光在相干长度内传播的时间 或或 越窄，光源的单色性越好，越窄，光源的单色性越好，光源的相干长度、相干时间越长，光源的时光源的相干长度、相干时间越长，光源的时间相干性越好。间相干性越好。1-1 激光的基本特性激光的基本特性重叠912 激光的产生激光的产生光的发射、吸收和放大，都是物质能量交换、转化的结果。光的发射、吸收和放大，都是物质能量交换、转化的结果。发光现象：发光现象：热辐射热辐射电致发光电致发光化学发光化学发光等形式等形式.普通光源普通光源自发发射自发发射激激 光光受激发射受激发射爱因斯坦首先提出爱因斯坦首先提出.一、一、原子的能级原子的能级:原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态 原子的能量状态。原子的能量状态。根据量子理论：能量变化值是量子化的根据量子理论：能量变化值是量子化的,这些量子化的能量级别称为原子这些量子化的能量级别称为原子 的能级。的能级。基能级基能级 (基态基态)：能量最低的能级。能量最低的能级。激发能级激发能级（激发态）：能量值高于（激发态）：能量值高于 基态的能级。基态的能级。量子力学量子力学 原子的能级原子的能级是原子中核外电子分布几率最大时原子所具有的那些量子是原子中核外电子分布几率最大时原子所具有的那些量子 化能量值。化能量值。量子态量子态：原子稳定的量子化状态。原子稳定的量子化状态。用四个量子数即主量子数、角量子数、磁量子数以及自旋量子数描述。用四个量子数即主量子数、角量子数、磁量子数以及自旋量子数描述。在构成物质的一个原子系统中在构成物质的一个原子系统中10轨道量子数与原子能级轨道量子数与原子能级 1.1.薛定谔方程薛定谔方程 薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程。薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程。从解薛定谔方程所引进的一套参数从解薛定谔方程所引进的一套参数 n,l,mn,l,m（称为量子数）的物理意义、（称为量子数）的物理意义、取值以及取值的组合形式与核外电子运动状态的关系如下：取值以及取值的组合形式与核外电子运动状态的关系如下：（一）主量子数（一）主量子数（n n）描述电子离核的远近，确定原子的能级或确定轨道能量的高低。决定轨道描述电子离核的远近，确定原子的能级或确定轨道能量的高低。决定轨道或电子云的分布范围。一般，或电子云的分布范围。一般，n n 值越大，电子离核越远，能量越高。值越大，电子离核越远，能量越高。主量子数主量子数n 1,2,3,4,5,6,7,n 1,2,3,4,5,6,7,（共取（共取n n个值）个值）电子层符号电子层符号 K K，L L，M M，N,O,P,Q,N,O,P,Q,（二）角量子数（副量子数）（二）角量子数（副量子数）(l)(l)同一电子层（同一电子层（n)n)中因副量子数（中因副量子数（l)l)不同又分成若干电子亚层（简称亚层，不同又分成若干电子亚层（简称亚层，有时也称能级）。有时也称能级）。l l确定同一电子层中不同原子轨道的形状。在多电子原子中，确定同一电子层中不同原子轨道的形状。在多电子原子中，与与 n n 一起决定轨道的能量。一起决定轨道的能量。副量子数副量子数 l=0,1,2,3,4,n-1 l=0,1,2,3,4,n-1（共可取（共可取 n n 个值）个值）亚层符号亚层符号 s s，p p、d d、f f、g g 轨道形状轨道形状 园球园球 双球双球 花瓣花瓣 八瓣八瓣 11具有相同能量的量子态的数目具有相同能量的量子态的数目 称为该能级的简并度称为该能级的简并度。当原子的多个量子态可具有相同的能量当原子的多个量子态可具有相同的能量对应的能级称为对应的能级称为简并能级简并能级。（三）（三）磁量子数（磁量子数（m）确定原子轨道在空间的伸展方向。确定原子轨道在空间的伸展方向。m=0,1,2,3,l 共可取值共可取值(2l+1)个值个值 s p d f 轨道空间伸展方向数：轨道空间伸展方向数：1 3 5 7(m的取值个数的取值个数)n,l 相同，相同，m不同的轨道能量相同不同的轨道能量相同。也即同一亚层中因。也即同一亚层中因m不同所代表的轨道具有不同所代表的轨道具有相同的能量。相同的能量。通常将能量相同的轨道互称为等价轨道或通常将能量相同的轨道互称为等价轨道或简并轨道简并轨道。（四）自旋量子数（四）自旋量子数ms 有两个值有两个值(+1/2，-1/2)，可用向上和向下的箭头，可用向上和向下的箭头(“”“”)来来表示电子的两种所谓自旋状态。表示电子的两种所谓自旋状态。结论：描述一个电子的运动状态，要用四个量子数（结论：描述一个电子的运动状态，要用四个量子数（n，l，m，ms），同一），同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。能量最低原理能量最低原理 ：整个体系的能量越低越好。一般来说，新填入的电子都：整个体系的能量越低越好。一般来说，新填入的电子都 是填在能量最低的空轨道上的。是填在能量最低的空轨道上的。能级的简并度：能级的简并度：12光子光子光子光子光子光子受受激激吸吸收收自自发发发发射射受受激激发发射射入射光子 两个粒子状态下，同一种量子数间的差值各自满两个粒子状态下，同一种量子数间的差值各自满足一定的规则时，这两个状态间的光学跃迁才有可足一定的规则时，这两个状态间的光学跃迁才有可能，从而产生相应的谱线。能，从而产生相应的谱线。辐射跃迁选择定则辐射跃迁选择定则：两个不符合选择定则的状态，不能发生跃迁，或跃两个不符合选择定则的状态，不能发生跃迁，或跃迁的可能性很小，相应的谱线不会产生或者很弱。迁的可能性很小，相应的谱线不会产生或者很弱。粒子辐射跃迁时原子系统吸收或发射的光频粒子辐射跃迁时原子系统吸收或发射的光频无辐射跃迁无辐射跃迁:将能量转换成热传给其他原子，本身从一个高能级跃迁到低能级的过程。将能量转换成热传给其他原子，本身从一个高能级跃迁到低能级的过程。能级的寿命能级的寿命：原子在某个能级上停留的平均时间原子在某个能级上停留的平均时间。激发态的一般寿命为激发态的一般寿命为107 108 s亚稳态亚稳态：寿命较长：寿命较长(可可达达103 s以上以上)的的激发态激发态，是不符合选择定则能级。是不符合选择定则能级。亚稳态对于激光的产生起着很重要的作用亚稳态对于激光的产生起着很重要的作用.12 激光的产生激光的产生玻尔频率条件玻尔频率条件一、原子的能级原子的能级:辐射跃迁辐射跃迁13能级的自然宽度能级的自然宽度同一激发态上大量原子按能量不同有统计规律分布。同一激发态上大量原子按能量不同有统计规律分布。能级的自然宽度能级的自然宽度：将中心能量值的粒子数：将中心能量值的粒子数Nm减少到一半减少到一半时所对应的能量间隔时所对应的能量间隔E.能级的自然宽度和什么因数有关呢能级的自然宽度和什么因数有关呢?微观粒子有波粒二象性，微观粒子有波粒二象性，其座标和动量遵从其座标和动量遵从测不准关系测不准关系，即，即：坐标的不确定度：坐标的不确定度：其坐标下的动量不确定度：其坐标下的动量不确定度电子束电子束xd=d狭缝狭缝能量和时间也有相类似的测不准关系能量和时间也有相类似的测不准关系：能级的平均寿命：能级的平均寿命：原子处于该能量状态的能量不准确值：原子处于该能量状态的能量不准确值：普朗克常数：普朗克常数由平均寿命决定由平均寿命决定亚稳态能级的自然宽度较小亚稳态能级的自然宽度较小。基态能级基态能级其自然宽度为零其自然宽度为零。12 激光的产生激光的产生一、原子的能级原子的能级:141.光的自发发射光的自发发射自自发发发发射射设设 和和 满足辐射跃迁选择定则满足辐射跃迁选择定则光子能量光子能量：频率：频率对于大量的粒子：对于大量的粒子：各自独立地自发发射一列一列频率为各自独立地自发发射一列一列频率为的光波的光波对单个粒子对单个粒子,在时间上自发发射是偶然的。在时间上自发发射是偶然的。对大量粒子，服从对大量粒子，服从统计规律统计规律。光的自发发射光的自发发射。偏振方向偏振方向可不同可不同各列光波各列光波位相关系位相关系不固定不固定传播方向传播方向可不同可不同二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用光子光子光子光子光光子子光子光子受受激激吸吸收收自自发发发发射射受受激激发发射射入射光子入射光子光子光子12 激光的产生激光的产生E115原子能级系统原子能级系统:：自发发射系数：自发发射系数 粒子能级系统的特征参量粒子能级系统的特征参量时间内自发跃迁到低能级的粒子数为时间内自发跃迁到低能级的粒子数为爱因斯坦自发发射系数爱因斯坦自发发射系数,是一常数。是一常数。E2E1N2N1物理意义物理意义：每一个处于每一个处于E2 能级的粒子在单位时间内发生自发发射的几率。能级的粒子在单位时间内发生自发发射的几率。如如表示在表示在108秒内，秒内，E2 能级上的每一个粒子发生自发发射的几率能级上的每一个粒子发生自发发射的几率 1/2。数量级大约为数量级大约为 12 激光的产生激光的产生1.光的自发发射光的自发发射高能级的粒子数如何变化？高能级的粒子数如何变化？16能级能级 E2 2 的平均寿命的平均寿命 ：时时时刻时刻自发发射的粒子数：自发发射的粒子数：E2上粒子的减少数：上粒子的减少数：高能级的粒子数按指数减少，减少的快慢由高能级的粒子数按指数减少，减少的快慢由 决定。决定。E2E1N212 激光的产生激光的产生1.光的自发发射光的自发发射从从 到到：在在0 t 时间内，时间内，dN21个原子在个原子在E2能级上都停留过，停留的时间的总和为能级上都停留过，停留的时间的总和为所有个原子的寿命总和所有个原子的寿命总和激发态平均寿命激发态平均寿命:是是自发发射跃迁几率的倒数自发发射跃迁几率的倒数。是激发态粒子数衰减为初始时粒子数是激发态粒子数衰减为初始时粒子数N20的的1e倍所需的时间。倍所需的时间。激发态寿命：激发态寿命：17 若高能级若高能级En上的原子向上的原子向m个低能级进行自发跃迁，且还向低能级个低能级进行自发跃迁，且还向低能级作跃迁几率为作跃迁几率为D的其他形式的跃迁（无辐射跃迁）时，的其他形式的跃迁（无辐射跃迁）时，12 激光的产生激光的产生1.光的自发发射光的自发发射EnE1Em无辐射跃迁无辐射跃迁D式中式中 是是En能级上原子分别向能级上原子分别向m个低能级进行个低能级进行自发发射跃迁的几率。自发发射跃迁的几率。原子的自发发射跃迁几率越大，激发态的寿命就越短。原子的自发发射跃迁几率越大，激发态的寿命就越短。El向多个低能级自发跃迁情况：向多个低能级自发跃迁情况：激发态激发态En的平均寿命为的平均寿命为182.光的受激吸收光的受激吸收E2E1N1入射光子入射光子假设两个能级假设两个能级E 2 和和E 1满足辐射跃迁选择定则。满足辐射跃迁选择定则。单个粒子：单个粒子：E1能级有能级有 N1个粒子：个粒子：入射光入射光E2N1入射光入射光E1：受激吸收系数受激吸收系数粒子能级系统的特征参量粒子能级系统的特征参量爱因斯坦受激吸收系数爱因斯坦受激吸收系数。：受激吸收的跃迁几率受激吸收的跃迁几率非常数非常数物理意义物理意义：在：在 的光照射下，的光照射下，E1能级的每一个粒子在单位时间内发生受激吸收的几率。能级的每一个粒子在单位时间内发生受激吸收的几率。12 激光的产生激光的产生附近的单位频率间隔中的辐射能量。附近的单位频率间隔中的辐射能量。单色辐射能量密度单色辐射能量密度：辐射场内，单位体积中，频：辐射场内，单位体积中，频率在率在(Jm-3Hz-1)时间内时间内受激吸收受激吸收跃迁到高能级的粒子数跃迁到高能级的粒子数为为受激吸收是一种正吸收。它将减弱辐射场的辐射密度。受激吸收是一种正吸收。它将减弱辐射场的辐射密度。与入射光强有关与入射光强有关.193.光的受激发射光的受激发射假设两个能级假设两个能级E 2 和和E 1满足辐射跃迁选择定则。满足辐射跃迁选择定则。E2N2入射光入射光E1受激发射的光与入射光的关系：受激发射的光与入射光的关系：（1）频率相同）频率相同（2 2）偏振方向相同）偏振方向相同（3 3）传播方向相同）传播方向相同 （4 4）它们是相干的）它们是相干的 E2能级有能级有 N2个粒子：个粒子：入射光的单色辐射能量密度为入射光的单色辐射能量密度为爱因斯坦受爱因斯坦受激发射激发射系数系数。：受激发射系数受激发射系数粒子能级系统的特征参量粒子能级系统的特征参量物理意义：在物理意义：在 的光照射下，的光照射下，E2能级的每一个粒子在单位时间内发生受激发射的几率。能级的每一个粒子在单位时间内发生受激发射的几率。：受激激发射的跃迁几率受激激发射的跃迁几率非常数，与非常数，与 有关。有关。12 激光的产生激光的产生E1N2入射光子入射光子E1E2光子光子时间内时间内受激发射受激发射跃迁到低能级的粒子数跃迁到低能级的粒子数为为受激发射是一种负吸收过程，它增强了辐射场的辐射密度，起到了光放大的作用。受激发射是一种负吸收过程，它增强了辐射场的辐射密度，起到了光放大的作用。在同一辐射场激发下大量原子所产生的受激发射光是高度相干光。在同一辐射场激发下大量原子所产生的受激发射光是高度相干光。204.自发发射、受激吸收和受激发射的关系自发发射、受激吸收和受激发射的关系(一一)A21、B12 和和 B21 三个系数的关系三个系数的关系爱因斯坦三个爱因斯坦三个系数的关系系数的关系 c：光速：光速 n：折射率折射率g1和和g2：能级：能级E1和和E2的统计权重的统计权重(或称简并度或称简并度)。(原子的原子的g种不同的运动状态种不同的运动状态(能态能态)都具有相同的内部能量值都具有相同的内部能量值E。)(二二)自发发射和受激发射自发发射和受激发射强度强度之比之比自发发射自发发射 受激发射受激发射E2E1自发发射自发发射光子光子受激发射受激发射受激吸收受激吸收N2受激发射受激发射自发发射与自发发射与 无关无关分析时只考虑占分析时只考虑占优势的过程。优势的过程。受激发射几率受激发射几率由由12 激光的产生激光的产生得得W21 和和A21的关系的关系：214.自发发射、受激吸收和受激发射的关自发发射、受激吸收和受激发射的关系系若令若令则有则有当当 T=3000K时，时，则受激发射则受激发射 超过自发发射。超过自发发射。若若例如电灯：例如电灯：近似于黑体辐射光源。近似于黑体辐射光源。k：玻尔兹曼常数：玻尔兹曼常数 h：普朗克常数：普朗克常数 T：绝对温度。：绝对温度。例如充气霓虹灯：频率为可见光范围内例如充气霓虹灯：频率为可见光范围内普通光源：普通光源：自发发射自发发射 受激发射受激发射例如一毫瓦的单模氦氖激光器例如一毫瓦的单模氦氖激光器受激发射受激发射 自发发射。发出光的相干性好。自发发射。发出光的相干性好。12 激光的产生激光的产生22式中：式中：N0 为单位体积内的粒子总数为单位体积内的粒子总数;C 为与物质性质及其温度有关的常数为与物质性质及其温度有关的常数;Ei 为能态为能态 i 的能量的能量;k=1.3810-23 J/K 为玻尔兹曼恒量为玻尔兹曼恒量;T 为绝对温度为绝对温度.三、三、玻玻尔尔兹兹曼分布律曼分布律与与光的吸收光的吸收1.玻玻尔尔兹兹曼分布律曼分布律 热平衡时热平衡时,单位体积中物质粒子在不同能态单位体积中物质粒子在不同能态(即量子态即量子态)上的分布服从统计规律上的分布服从统计规律。即即i i 能态上的粒子数为能态上的粒子数为简并度为简并度为gi的能级的能级Ei上的粒子数为上的粒子数为热平衡时热平衡时,粒子数随能量的分布规律粒子数随能量的分布规律为为即即或或热平衡条件下低能级的粒子数密度总是大于高能级的粒子数密度热平衡条件下低能级的粒子数密度总是大于高能级的粒子数密度.是一种粒子数的正温度分布是一种粒子数的正温度分布。12 激光的产生激光的产生 g1=g2的情况下的情况下232.光的吸收光的吸收 受激吸收 受激发射使入射光加强使入射光加强使入射光减弱使入射光减弱E2E1光子光子受激发射受激发射受激吸收受激吸收N2N1入射光入射光入射光入射光在在 d t 时间内时间内 受激吸收和受激发射的光子数之比受激吸收和受激发射的光子数之比：在热平衡时，介质两能级间粒子数分布为在热平衡时，介质两能级间粒子数分布为在热平衡条件下，物质粒子遵从正温度分布规律，在热平衡条件下，物质粒子遵从正温度分布规律，介质总表现为对光吸收的特性介质总表现为对光吸收的特性.12 激光的产生激光的产生24当介质中打破了热平衡，粒子数反转时，当介质中打破了热平衡，粒子数反转时，介质呈现出光放大的特性介质呈现出光放大的特性.四、粒子数反转与光放大四、粒子数反转与光放大 物质中高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度时，称为物质中高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度时，称为粒子数反转粒子数反转.用外来能量激励用外来能量激励，使低能级的粒子大批地跃迁到高能级，打破原子系统的热平衡状，使低能级的粒子大批地跃迁到高能级，打破原子系统的热平衡状态，建立起粒子数的反转分布状态。态，建立起粒子数的反转分布状态。泵浦（或抽运）：供给低能级粒子能量使其跃迁到高能级的过程。泵浦（或抽运）：供给低能级粒子能量使其跃迁到高能级的过程。泵浦方式：光泵、电泵、热泵以及化学泵浦等等泵浦方式：光泵、电泵、热泵以及化学泵浦等等.是产生激光的前提条件是产生激光的前提条件.即即绝对温度要取绝对温度要取“负负”值值.是不可能的是不可能的 处于粒子数反转分布时的原子系统是不稳定的。处于粒子数反转分布时的原子系统是不稳定的。如果能使粒子数反转持续存在，则在入射的激励光子的辐照下，受激发射将持续进行，如果能使粒子数反转持续存在，则在入射的激励光子的辐照下，受激发射将持续进行，入射光将得到雪崩式的放大，从而有可能形成激光。入射光将得到雪崩式的放大，从而有可能形成激光。12 激光的产生激光的产生25固体激光器：用光激发固体激光器：用光激发 光泵。光泵。如红宝石、钕玻璃激光器用氙灯做为光泵。如红宝石、钕玻璃激光器用氙灯做为光泵。气体激光器：用电激发，利用气体放电，电子在电场作用下加速并获得足够的动能。气体激光器：用电激发，利用气体放电，电子在电场作用下加速并获得足够的动能。加速的电子同工作物质中的粒子碰撞，电子将能量转交给粒子，粒子则从基加速的电子同工作物质中的粒子碰撞，电子将能量转交给粒子，粒子则从基 态跃迁到激发态。态跃迁到激发态。还有热激发，化学激发、核激发等。还有热激发，化学激发、核激发等。要获得激光，就要创造条件使得工作物质处于要获得激光，就要创造条件使得工作物质处于粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态。外界激励源外界激励源产生激光的条件之一产生激光的条件之一。为了获得粒子数反转分布，就得用外界强大的能源将基态的粒子激发到高能级。为了获得粒子数反转分布，就得用外界强大的能源将基态的粒子激发到高能级。产生激光的条件之二产生激光的条件之二。12 激光的产生激光的产生四、粒子数反转与光放大四、粒子数反转与光放大2612 激光的产生激光的产生一、一、原子的能级原子的能级原子的能量状态原子的能量状态基能级基能级 (基态基态)激发能级激发能级（激发态）（激发态）物质由微观粒子组成物质由微观粒子组成(原子、离子、分子原子、离子、分子)。其内部电子与外界交换能量而从一种状态改变为另其内部电子与外界交换能量而从一种状态改变为另一种状态一种状态.光子光子光子光子光子光子受受激激吸吸收收自自发发发发射射受受激激发发射射入射光子辐射跃迁选择定则辐射跃迁选择定则：粒子辐射跃迁时原子系粒子辐射跃迁时原子系统吸收或发射的光频：统吸收或发射的光频：无辐射跃迁无辐射跃迁:将能量转换成热传给其他原子，本身将能量转换成热传给其他原子，本身 从从 一个高能级跃迁到低能级的过程。一个高能级跃迁到低能级的过程。能级的寿命能级的寿命 ：原子在某个能级上停留的平均时间原子在某个能级上停留的平均时间 。激发态：寿命短的激发态：寿命短的激发态激发态亚稳态亚稳态：寿命较长的：寿命较长的激发态激发态，辐射跃迁辐射跃迁不符合选不符合选择定则能择定则能级。级。能级的自然宽度能级的自然宽度：将中心能量值的粒子数：将中心能量值的粒子数Nm减少到一半减少到一半 时所对应的能量间隔时所对应的能量间隔E.271.光的自发发射光的自发发射设设 和和 满足辐射跃迁选择定则满足辐射跃迁选择定则自发发射一列一列频率为自发发射一列一列频率为的光波的光波对大量粒子，服从对大量粒子，服从统计规律统计规律。光的自发发射光的自发发射。偏振方向偏振方向可不同可不同各列光波各列光波位相关系位相关系不固定不固定传播方向传播方向可不同可不同二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用自自发发发发射射光子光子E1：自发发射系数：自发发射系数 粒子能级系统的特征参量粒子能级系统的特征参量爱因斯坦自发发射系数爱因斯坦自发发射系数,是一常数。是一常数。物理意义物理意义：每一个处于每一个处于E2 能级的粒子在单位时间内发生自发发射的几率。能级的粒子在单位时间内发生自发发射的几率。数量级大约为数量级大约为 激发态平均寿命激发态平均寿命原子的自发发射跃迁几率越大，激发态的寿命就越短。原子的自发发射跃迁几率越大，激发态的寿命就越短。282.光的受激吸收光的受激吸收E2E1N1入射光子入射光子假设两个能级假设两个能级E 2 和和E 1满足辐射跃迁选择定则。满足辐射跃迁选择定则。E1能级有能级有 N1个粒子：个粒子：入射光入射光E2N1入射光入射光E1受激吸收系数受激吸收系数粒子能级系统的特征参量粒子能级系统的特征参量爱因斯坦受激吸收系数爱因斯坦受激吸收系数。：受激吸收的跃迁几率受激吸收的跃迁几率非常数非常数物理意义物理意义：在：在 的光照射下，的光照射下，E1能级的每一个粒子在单位时间内发生受激吸收的几率。能级的每一个粒子在单位时间内发生受激吸收的几率。单色辐射能量密度单色辐射能量密度(Jm-3Hz-1)受激吸收是一种正吸收。它将减弱辐射场的辐射密度。受激吸收是一种正吸收。它将减弱辐射场的辐射密度。与入射光强有关与入射光强有关.293.光的受激发射光的受激发射假设两个能级假设两个能级E 2 和和E 1满足辐射跃迁选择定则。满足辐射跃迁选择定则。E2N2入射光入射光E1受激发射的光与入射光的关系：受激发射的光与入射光的关系：（1）频率相同）频率相同（2 2）偏振方向相同）偏振方向相同（3 3）传播方向相同）传播方向相同 （4 4）它们是相干的）它们是相干的爱因斯坦受爱因斯坦受激发射激发射系数系数。：受激发射系数受激发射系数粒子能级系统的特征参量粒子能级系统的特征参量物理意义：在物理意义：在 的光照射下，的光照射下，E2能级的每一个粒子在单位时间内发生受激发射的几率。能级的每一个粒子在单位时间内发生受激发射的几率。：受激激发射的跃迁几率受激激发射的跃迁几率非常数，与非常数，与 有关。有关。12 激光的产生激光的产生E1N2入射光子入射光子E1E2光子光子受激发射是一种负吸收过程，它增强了辐射场的辐射密度，起到了光放大的作用。受激发射是一种负吸收过程，它增强了辐射场的辐射密度，起到了光放大的作用。在同一辐射场激发下大量原子所产生的受激发射光是高度相干光。在同一辐射场激发下大量原子所产生的受激发射光是高度相干光。304.自发发射、受激吸收和受激发射的关系自发发射、受激吸收和受激发射的关系(一一)A21、B12 和和 B21 三个系数的关系三个系数的关系爱因斯坦三个爱因斯坦三个系数的关系系数的关系 c：光速：光速 n：折射率折射率g1和和g2：能级：能级E1和和E2的统计权重的统计权重(或称简并度或称简并度)。(原子的原子的g种不同的运动状态种不同的运动状态(能态能态)都具有相同的内部能量值都具有相同的内部能量值E。)(二二)自发发射和受激发射自发发射和受激发射强度强度之比之比E2E1自发发射自发发射光子光子受激发射受激发射受激吸收受激吸收N2受激发射受激发射自发发射与自发发射与 无关无关12 激光的产生激光的产生得得W21 和和A21的关系的关系：则受激发射则受激发射 超过自发发射。超过自发发射。若若普通光源：自发发射普通光源：自发发射 受激发射受激发射激光器：激光器：受激发射受激发射 自发发射。发出光的相干性好。自发发射。发出光的相干性好。31式中：式中：N0 为单位体积内的粒子总数为单位体积内的粒子总数;C 为与物质性质及其温度有关的常数为与物质性质及其温度有关的常数;Ei 为能态为能态 i 的能量的能量;k=1.3810-23 J/K 为玻尔兹曼恒量为玻尔兹曼恒量;T 为绝对温度为绝对温度.三、三、玻玻尔尔兹兹曼分布律曼分布律与与光的吸收光的吸收1.玻玻尔尔兹兹曼分布律曼分布律热平衡时热平衡时,单位体积中单位体积中的的物质粒子在不同能态上的统计规律分布物质粒子在不同能态上的统计规律分布热平衡时热平衡时,粒子数随能量的分布规律粒子数随能量的分布规律为为低能级的粒子数密度总是大于高能级的粒子数密度低能级的粒子数密度总是大于高能级的粒子数密度.粒子数的正温度分布粒子数的正温度分布。12 激光的产生激光的产生2.光的吸收光的吸收 受激吸收受激吸收 受激发射受激发射使入射光加强使入射光加强使入射光减弱使入射光减弱E2E1光子光子受激发射受激发射受激吸收受激吸收N2N1入射光入射光入射光入射光在在热平衡热平衡时，介质两能级间粒子数分布为时，介质两能级间粒子数分布为介质总表现为对光吸收的特性介质总表现为对光吸收的特性.32当介质中打破了热平衡，粒子数反转时，当介质中打破了热平衡，粒子数反转时，介质呈现出光放大的特性介质呈现出光放大的特性.四、粒子数反转与光放大四、粒子数反转与光放大 物质中高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度时，称为物质中高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度时，称为粒子数反转粒子数反转.用外来能量激励用外来能量激励，打破原子系统的热平衡状态，建立起粒子数的反转分布状态。，打破原子系统的热平衡状态，建立起粒子数的反转分布状态。泵浦（或抽运）：供给低能级粒子能量使其跃迁到高能级的过程。泵浦（或抽运）：供给低能级粒子能量使其跃迁到高能级的过程。泵浦方式：光泵、电泵、热泵以及化学泵浦等等泵浦方式：光泵、电泵、热泵以及化学泵浦等等.是产生激光的前提条件是产生激光的前提条件.即即绝对温度要取绝对温度要取“负负”值值.不可能不可能 处于粒子数反转分布时的原子系统是不稳定的。处于粒子数反转分布时的原子系统是不稳定的。如果能使粒子数反转持续存在，则在入射的激励光子的辐照下，受激发射将持续进行，如果能使粒子数反转持续存在，则在入射的激励光子的辐照下，受激发射将持续进行，入射光将得到雪崩式的放大，从而有可能形成激光。入射光将得到雪崩式的放大，从而有可能形成激光。12 激光的产生激光的产生33固体激光器：用光激发固体激光器：用光激发 光泵。光泵。如红宝石、钕玻璃激光器用氙灯做为光泵。如红宝石、钕玻璃激光器用氙灯做为光泵。气体激光器：用电激发，利用气体放电，电子在电场作用下加速并获得足够的动能。气体激光器：用电激发，利用气体放电，电子在电场作用下加速并获得足够的动能。加速的电子同工作物质中的粒子碰撞，电子将能量转交给粒子，粒子则从基加速的电子同工作物质中的粒子碰撞，电子将能量转交给粒子，粒子则从基 态跃迁到激发态。态跃迁到激发态。还有热激发，化学激发、核激发等。还有热激发，化学激发、核激发等。要获得激光，就要创造条件使得工作物质处于要获得激光，就要创造条件使得工作物质处于粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态。外界激励源外界激励源产生激光的条件之一产生激光的条件之一。为了获得粒子数反转分布，就得用外界强大的能源将基态的粒子激发到高能级。为了获得粒子数反转分布，就得用外界强大的能源将基态的粒子激发到高能级。产生激光的条件之二产生激光的条件之二。12 激光的产生激光的产生四、粒子数反转与光放大四、粒子数反转与光放大34五、五、介质对光的增益作用介质对光的增益作用1.增益系数增益系数G 的定义的定义设：在设：在 z 处光强为处光强为在在z+d z 处光强为处光强为介质对光的介质对光的增益系数增益系数为光通过单位长度增益介质后的增长率为光通过单位长度增益介质后的增长率。边界条件边界条件在介质中光强随距离按指数规律增长。在介质中光强随距离按指数规律