大学物理课件10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/c2)基本模型考虑与产生激光有关的两个原子能级E1和E2(E2E1)，以使问题大为简化。一、自发辐射（spontaneousradiation）高能级E2上的原子自发地跃迁到低能级E1发出光子过程，称为自发辐射。12EEhE2E1N2N1h设单位体积中处于E1、E2能级的粒子数为N1、N2E2E1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。tANNdd2122tAeNtN21202)(指数衰减律dtNAdN22121Ａ21自发辐射系数，注意到：dN21=–dN2于是有E2E1N2N1h10自发辐射的各原子发的光是独立的、无关的非相干光。20考虑原子在E2能级的平均停留时间022020)(1NdNtNdtNtAN2021201211A211A称为原子在E2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E2平均停留时间为10秒。一般激发态寿命：S8710~10一般亚稳态寿命：S310~二、吸收（absorption）外来光频率满足h=E2–E1时，E1能级粒子吸收一个光子，跃迁到E2能级，称为受激吸收E1E2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。dtwNBdN11212B12受激吸收系数，w光谱辐射能量密度nhwdtNdNwBW1121212受激吸收概率E2E1N2N1hhh三、受激辐射(stimulatedradiation)外来光频率满足h=E2–E1时，E2能级粒子受其刺激，跃迁到E1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。E2E1N2N1hE2E1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。dtwNBNd22121B21受激发射系数，dtNNdwBW2212121受激发射概率定义10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。2o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A2l、B2l和B12表征，它们之间关系是2112BB2133218BchA3o比较受激辐射与吸收的强度，有11kTheII自受在室温下：100kTh受自II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(populationinversion)0IIdIIdzozz单位时间、单位体积内：吸收的光能量是：hwBNhdN112受激辐射的光能量是：hwBNhNd221净增加的光能量是：0IIdIIdzozzhBwNNSdzdtdE)(12光强与光能量关系是SdtdEdIcwIhcIBNNdzdI)(12利用三个系数关系IdzdI2212128)(AcNNzeII0——增益系数显然：0光强减少光吸收0光强增加光放大12NN（称为粒子数反转）二、激光工作物质问题提出:N2N1N1N2EnNnkTEnneN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E1E2B12B21A212112BB212112ABB12NN二能级物质是不能实现粒子数反转。2.三能级系统E1——基态能级E2——亚稳态能级E3——泵浦的高能级ms3s910在E1与E2之间实现粒子数反转，泵浦能量高3.四能级系统E1E2B13W21A31W12A21S32A32E1E2W14W32A41S21A32S43A23E1——基态能级E2——激光下能级E3——激光上高能级ms3s910E4——泵浦的高能级s910在E2与E3之间实现粒子数反转三、光学谐振腔(opticalharmonicoscillator)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121Llnrr全反射镜部分反射镜激光L是谐振腔腔长；r1、r2是两反射镜光强反射率。1221Lerr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LA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kknL2(k=1、2、3、…．)例子：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Lk=1k=2k=3n—谐振腔内媒质的折射率)(0I)(0I2)(0I01.3109HzknLk2nLkck2nLck2数量级估计：Ｌ～1m；n～1.0；c～３×108msZknLc88105.11121032因此，在区间中，可以存在的频率种数为：20III0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。8105.1103.189kN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短腔长来加大k，可以使一种频率。如上述He—Ne激光器L从1m缩短到0.1m，（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TEM10TEM13TEM00TEM11xyxxxyyyTEM10，TEM11…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。TEM00称为基横模，2aL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=6047Å处，Δλ=0.0047Å，Δλ／λ≈10-7Δλ=10-7Å，Δλ／λ≈10-11氦—氖气体激光，λ=6328Å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～1014W太阳B1010～光源亮度：ΩSpBΔΔΔ强度：非聚焦状态I211mW10SrmW10216亮度：B～Sp可产生108K的高温，引起核聚变聚焦状态可达到217W/cm10I3.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10-4red（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、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:hν/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109W●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，CO2，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（107─109K,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─104m/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1020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（1011─1015Hz），信息容量大，清晰，功耗小，用脉冲的染料激光（波长585nm）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5500oC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