大学物理10激光.pptx

20.1 光与物质作用的基本过程光与物质作用的基本过程物质物质 原子体系原子体系基态基态 激发态激发态 光光 光子体系光子体系（能量（能量:h;动量动量:h/c;质量质量:h/c2)基本基本模型模型考虑与产生激光有关的两个原子能级考虑与产生激光有关的两个原子能级E1和和E2(E2E1)，以使问题大为简化。以使问题大为简化。一、自发辐射一、自发辐射（spontaneous radiation）高能级高能级E2上的原子自发地跃迁到低能级上的原子自发地跃迁到低能级E1发出发出 光子过程，称为自发辐射。光子过程，称为自发辐射。E2E1N2N1h 设单位体积中处于设单位体积中处于E1、E2能能级的粒子数为级的粒子数为N1、N2E2 E1自发辐射自发辐射的原子数为的原子数为 则则单位体积单位体积中，中，dt 时间时间从从它是它是单个原子单位时间内发生自发辐射概率。单个原子单位时间内发生自发辐射概率。指数衰减律指数衰减律 21 自发辐射系数，自发辐射系数，注意到：注意到：dN21=dN2 于是有于是有E2E1N2N1h 10 自发辐射的各原子发的光是自发辐射的各原子发的光是独立的独立的、无关的无关的非相干光非相干光。20 考虑原子在考虑原子在E2能级的平均停留时间能级的平均停留时间称为原子在称为原子在E2能级的平均寿命。能级的平均寿命。例例:原子在一秒钟内发生自发辐射概率为原子在一秒钟内发生自发辐射概率为1/10，则该原子在激发态则该原子在激发态E2平均停留时间为平均停留时间为 10秒。秒。一般激发态寿命：一般激发态寿命：一般亚稳态寿命：一般亚稳态寿命：二、吸收二、吸收（absorption）外来光频率满足外来光频率满足h =E2 E1时，时，E1能级粒子能级粒子吸收一个光子，跃迁到吸收一个光子，跃迁到E2能级，称为能级，称为受激吸收受激吸收E1 E2受激吸收受激吸收的原子数为的原子数为 则则单位体积单位体积中，中，dt 时间时间从从它是它是单个原子单位时间内发生受激吸收概率。单个原子单位时间内发生受激吸收概率。B12 受激吸收系数，受激吸收系数，w 光谱辐射能量密度光谱辐射能量密度受激吸收概率受激吸收概率E2E1N2N1h h h 三、受激辐射三、受激辐射 (stimulated radiation)外来光频率满足外来光频率满足h =E2 E1时，时，E2能级粒子能级粒子受其刺激受其刺激，跃迁到跃迁到E1能级，同时辐射一个能级，同时辐射一个与外与外来辐射完全相同来辐射完全相同的光子，的光子，称为称为受激辐射。受激辐射。E2E1N2N1h E2 E1受激辐射受激辐射的原子数为的原子数为 则则单位体积单位体积中，中，dt 时间时间从从它是它是单个原子单位时间内发生受激辐射概率。单个原子单位时间内发生受激辐射概率。B21 受激发射系数，受激发射系数，受激发射概率受激发射概率定义定义10 受激辐射光与入射光的频率、偏振方向、相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位及传播方向均相同有光的放大作用。有光的放大作用。2o 实实际际系系统统中中，三三种种过过程程同同时时存存在在，只只是是各各种种过过程程所所占占比比重重不不同同。三三种种过过程程强强弱弱由由三三个个系系数数，即即A2l、B2l和和B 12表征，它们之间关系是表征，它们之间关系是 3o 比较受激辐射与吸收的强度，有比较受激辐射与吸收的强度，有在室温下：在室温下：20.2 激光形成原理激光形成原理问题提出问题提出:我们希望产生我们希望产生光放大光放大受激辐射。受激辐射。在在什么条件什么条件下，受激发射可以大于吸收下，受激发射可以大于吸收。一、粒子数反转一、粒子数反转(population inversion)单位时间、单位体积内：单位时间、单位体积内：吸收的光能量是：吸收的光能量是：受激辐射的光能量是：受激辐射的光能量是：净增加的光能量是：净增加的光能量是：光强与光能量关系是光强与光能量关系是利用三个系数关系利用三个系数关系增益系数增益系数显然：显然：光强减少光强减少光吸收光吸收光强增加光强增加光放大光放大（称为粒子数反转）（称为粒子数反转）二、激光工作物质二、激光工作物质问题提出问题提出:N2 亮度：亮度：B S p 可产生可产生108K的高温，引起核聚变的高温，引起核聚变聚焦状态可达到聚焦状态可达到3.3.方向性好方向性好 投射到月球（投射到月球（38万公里）光斑直径仅约万公里）光斑直径仅约2公里，公里，发散角可小到发散角可小到 10-4red（0.1）测地测地月距离精度达几厘米。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、激光良好的方向性，适合于光盘、激光印刷、激光打印、激光扫描、激光显示、激光打标激光打印、激光扫描、激光显示、激光打标 等领域的应用等领域的应用 4.4.相干性好相干性好 空间相干性好，激光波面上各个点可以空间相干性好，激光波面上各个点可以 时间相干性好，时间相干性好，相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。做到都是相干的。做到都是相干的。5.5.高速调制高速调制 半导体激光器，可对激光直接进行高速调制，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、光印刷等信适合光通信、光存储、光计算、光印刷等信息领域的需要息领域的需要 6.6.明显的光压效应明显的光压效应 光是有动量光是有动量:h h/c/c 激光的辐射强度高，可以有明显的激光的辐射强度高，可以有明显的光压效应光压效应 在微电子领域，可用激光辐射压力来清洗半在微电子领域，可用激光辐射压力来清洗半导体片子；导体片子；激光压力形成激光压力形成“光学镊光学镊”，将精子和卵细胞，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 激光器激光器 激光应用激光应用按工作介质分类按工作介质分类:固体激光器、气体激光器、液体激光器固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器和半导体激光器 按激光输出方式分类：按激光输出方式分类：连续激光器和脉冲激光器连续激光器和脉冲激光器 一、典型激光器一、典型激光器2.2.固体激光器固体激光器 具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点 连续功率可达连续功率可达万万W以上，脉冲峰值功率可高达以上，脉冲峰值功率可高达109W W 制备较复杂，因而价格较贵制备较复杂，因而价格较贵 2.2.气体激光器气体激光器 常见的气体激光器有：常见的气体激光器有：HeHeNeNe，COCO2 2，Ar 具有结构简单、造价低；操作方便；工作介具有结构简单、造价低；操作方便；工作介 质均匀，光束质量好质均匀，光束质量好 品种最多、应用广泛，占有市场达品种最多、应用广泛，占有市场达60左右左右 3.3.半导体激光器半导体激光器 体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、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用在光纤通信和光盘技术中有广泛应用 4.4.液体激光器或染料激光器液体激光器或染料激光器 5.5.化学激光器化学激光器、X光激光器光激光器、自由电子激光器自由电子激光器 二、激光的应用二、激光的应用利用激光高强度、良好的聚焦性利用激光高强度、良好的聚焦性(平行性平行性)控制光栅刻机等。控制光栅刻机等。绘制集成电路图，绘制集成电路图，如芯片电路的准确分割，如芯片电路的准确分割，切割切割(连续打孔连续打孔)：调节精密电阻，调节精密电阻，可在大气中进行。可在大气中进行。迅速、非接触，迅速、非接触，焊接焊接(烧熔烧熔)：可加工硬质合金钻石等。可加工硬质合金钻石等。钻孔钻孔(烧穿烧穿)：加工：加工：效率高，效率高，雷达（分辨率高，可测云雾）等。雷达（分辨率高，可测云雾）等。测量：测量：准直、测距等。准直、测距等。医疗：医疗：激光手术刀，激光手术刀，血管内窥镜，血管内窥镜，治癌等。治癌等。军事：军事：激光制导，激光制导，激光炮等。激光炮等。核技术：核技术：激光分离同位素激光分离同位素（还利用了频率（还利用了频率准确的特点），准确的特点），激光核聚变激光核聚变（107109K,氘氘氚小弹丸）等。氚小弹丸）等。利用激光极好的相干性：利用激光极好的相干性：测量：测量：精密测长、精密测长、测厚、测厚、测角，测角，测流速测流速（10-5104m/s），），定向（激光陀螺），定向（激光陀螺），测电流、电压（磁光效应），测电流、电压（磁光效应），激光激光抗干扰性强。抗干扰性强。探测：探测：微电子器件表面探测微电子器件表面探测（激光（激光原子力原子力显微镜可测显微镜可测25个原子厚度的起伏变化个原子厚度的起伏变化)，单原子探测单原子探测（利用光谱分析能测出（利用光谱分析能测出1020个原子中的一个原子）。个原子中的一个原子）。全息技术：全息技术：全息存储，全息存储，全息测量，全息测量，全息电影，全息电影，全息摄影等。全息摄影等。激光光纤通讯：激光光纤通讯：载波频率高（载波频率高（10111015Hz），），信息容量大，信息容量大，清晰，清晰，功耗小，功耗小，用脉冲的染料激光（波长用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着处理皮肤色素沉着处理前处理前处理后处理后用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）（目前已是常规的医学手术）激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起 激光核聚变激光核聚变 这是激光这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个靶室，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。产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。1