大学物理课件：18-5激光.pptVIP

第五节 激 光 激光（Light amplification by stimulated emission of radiation——laser） 自发辐射的特点是：每个原子的跃迁都是自发的、独立地进行，相同能级间的跃迁，发射出的光子的频率可以相同，但是其位相、振动方向、发光时间、偏振状态及传播方向等都不相同。 即各个光子向四面八方传播，互不关联，是非相干光， 自发辐射对于不同粒子、或同类粒子在不同时刻所发出的光子来说，它们的频率、偏振状态、传播方向以及位相彼此各不相同。 故自发辐射过程是各个发光粒子之间互不相关的随机过程，它发出的是杂乱无章的、非相干的自然光。 白炽灯、日光灯等就属于这种光源。 ②受激辐射 —— 处于高能级上的粒子，受能量 hv 的入射光子的刺激，而跃迁到低能级，同时发射一个与入射光子完全相同的光子的过程。 跃迁定则: E2 - E1 = hv 光子由原来的一个变为两个光子，故光被放大了。 同时这两个光子又可继续充当“刺激光子”，进而继续引发受激辐射。 受激辐射的特点是：出射光成倍加强（具有光放大作用），且光子群为全同光子（即相干光子）。 （2）三种跃迁均衡与失衡 在实际辐射跃迁中，上述三种过程总是同时存在着。 不同条件下，三者发生的几率是不同的，总效果也不相同。 究竟哪一种跃迁占优势，这将取决于各个能级粒子数的分布情况。 5、泵浦源（外源供能） —— 能使低能级上的粒子在吸收能量后，而被激发到高能级上去的装置，即外激励装置，也称“泵浦源”。 通常泵浦源的形式有： 光能 —— 光照 电能 —— 放电 化学能 —— 化学反应 热能 —— 加热 核能 —— 核反应。 6、三能级系统 基态 E1 上的粒子被外激励源抽运到激发态 E3 上，而使能级 E1 上的粒子数 N1 减少。 因能态 E3 的平均寿命短： （τ≈ 10 - 8 s）， 故能态 E3 上的粒子很快通过无辐射跃迁到达亚稳态能级 E2 上， 又因亚稳态 E2 的平均寿命相对较长（τ＞10 - 3 s）， 故大量粒子可在 E2 能态上累积，使 N2 激增，在 E2 与 E1 之间形成粒子数反转分布，出现受激辐射光放大。 譬如：红宝石激光器（ ，浅红色）中的激活粒子就属于三能级系统。 在三能级系统中，基态能级上总是聚集着大量的粒子，而粒子数反转又是在亚稳态能级 E2 和基态能级 E1 之间进行， 要实现 N2 ＞ N1 ，外界抽运泵浦源必须足够强， 三能级系统的一个显著缺点是：转换效率降低，且能耗增大。 7、四能级系统 —— 为克服三能级系统的缺点，人们找到了四能级系统的激光工作物质， 如含钕的钇铝石榴石（用符号Nd：YAG 来表示，浅紫色、硬度高、导热性能好和化学性稳定）。 He-Ne 和 CO2等物质，它们都属于四能级系统的激光工作物质。 在四能级系统中，基态 E1 上的大量粒子被外激励源抽运到激发态 E4 能级上， 因 E4 和 E2 能级的平均寿命都很短，而 E3 却为亚稳态，所以 E4 能级上的粒子迅速以无辐射跃迁形式到达亚稳态 E3 能级上。 因常温下， E2 是空能级，故 E3 和 E2 之间就形成粒子数反转。 需要指出的是：上述的三能级系统和四能级系统，均指对激光器运转过程中，与粒子数反转直接有关的能级而言， 并不是说某物质只有三个能级或四个能级。 8、光学谐振腔 仅仅靠光的一次性通过工作物质来使光放大，其光光放大能力非常有限，不足以弥补光能的损耗。 要实现光放大，还必须有“光学反馈装置”。 光学谐振腔 —— 能形成反复光放大的稳定腔体。 在工作物质两端，安放两块相互平行的反射镜，其中一块为全反镜， 另一块为部分反射镜，它们均与工作物质的轴线相垂直而构成光学谐振腔。 理想情况下，全反镜反射率为100%， 部分反射镜反射率常大于90%，激光束就是从部分反射镜中输出的。 产生激光的全过程： 处在粒子数反转状态的工作物质，开始由于自发辐射向各个方向发射光子，其中偏离沿轴向运动的光子都会逸出光学谐振腔。 只有沿轴向自发辐射的光子，才能在光学谐振腔中来回反射， 并多次通过工作物质而不断地产生受激辐射， 这一过程不断地继续进行，使沿轴向的光强不断得到放大。 产生激光的全过程 9、光学谐振腔的光能损耗因素（阈值条件）： 光学谐振腔的反射镜相当于圆孔衍射（一次、两次、三次、…、多次衍射） 。 将使反射镜边缘光的波阵面发生畸变，部分光偏离了原来的传播方向。削弱了边缘的光强能量。 光的衍射 —— 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影区域，并在屏幕上出现光强不均匀的分布现象。 工作物质 全 反 镜 部 分