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激光原理 要求： 四能级系统： 2、光振荡、光学谐振腔 工作物质： 具有适当的能级结构，可产生受激辐射光放大。 激励能源： 供给能量，使粒子数反转，达到产生激光所需的阈值条件。 谐 振 腔： 产生与维持光振荡，选方向，选频率。 三 激光的模式 1、纵模 并不是具有谐振频率的光都能形成激光输出。这是因为工作物质的辐射谱线有一定的宽度。只有满足阈值条件，并处于工作物质的辐射谱线一定的宽度内的那些谐振频率才能形成激光——称为谐振腔的选频作用。由此，激光器谐振腔输出的纵模数为 2、横模 将激光投到屏上，可看到光斑的强度有不同花样的稳定分布。光束横截面上光强的稳定分布称为激光的横模。 振幅分布和光斑尺寸 等相位面分布 远场发散角 1、激光的特性 1.2 单色性好（相干性好） 双曲线两渐近线之间的夹角： 基模具有优良的方向性 3．高斯光束的特征 四 激光特性及激光技术的应用 1.1 方向性好 激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级，对应的立体角在10-6sr量级。 激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。 投射到月球光斑直径仅约2公里，测地—月距离精度达几厘米。 普通光源发出的光辐射沿4?立体角分布，比激光束大106倍。激光束是高度平行的光束。 * * 掌握激光产生的物理机制、必要条件、激光器的基本结构及高斯光束特点。 激光又名镭射 (Laser)，全名是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”。 一 激光产生的物理基础 1、激光的发展历史 “激光”— 钱学森在1963年提出? 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。 1960年7月7日，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。 美国休斯公司实验室梅曼演示的。 波长为694.3nm的激光。 1961年11月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长光所研制成功。 我国激光器研究情况 1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统－ 神光装置，在中国科学院上光所研制成功。 神光I、神光II、神光III 2、玻尔原子模型 能级 原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的 。 行星模型 2.1 经典核模型 2.2 玻尔的三个假设 假设一 电子在原子中，可以在一些特定的轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态），并具有一定的能量。 假设二 电子绕核作圆周运动时，只有电子的角动量等于 的整数倍的那些轨道是稳定的。 频率条件 假设三 当原子从高能量 的定态跃迁到低能量 的定态时，要发射频率为 的光子。 2.3 氢原子能级结构 氢原子能级图 基态 激发态 应用到最简单的氢原子，得其能级公式 3、原子的激发和辐射 3.1 自发辐射 原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 , 这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射. 自发辐射的特点：初相位、发射方向不同，不同激发态辐射的光子频率也不同 ——普通光源的发光。 自发辐射的光波是非相干的。 按照原子的量子理论，光与原子的相互作用可能引起原子的三种跃迁过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收。 单位时间内自发辐射的原子数只与高能级E2上的原子数呈正比： Ａ21 ?自发辐射系数，它是单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率。 E2 ? E1自发辐射的原子数, 也就是处于激发态E2的原子的减少数, 即: 指数衰减律 称为原子在 E2 能级的平均停留时间(平均寿命)。 例如：一个原子在一秒钟内发生自发辐射的概率为 1/10，即 Ａ21 ＝1/10, 则显然，该原子在激发态 E2 的平均寿命为 10秒。 3.2 受激辐射 原子中处于高能级 的电子,会在外来光子(其频率恰好满足 )的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射. 受激辐射的特点：受激辐射的光波是相干光。 受激辐射发出的光与入射光的频率、初相位、偏振态、 传播方向均相同。