大学物理课件10激光

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二十章 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,/c,2,),基本模型,考虑与产生激光有关的两个原子能级,E,1,和,E,2,(E,2,E,1,),，,以使问题大为简化。,一、自发辐射,（,spontaneous radiation）,高能级,E,2,上的原子自发地跃迁到低能级,E,1,发出,光子过程，称为自发辐射。,E,2,E,1,N,2,N,1,h,设单位体积中处于,E,1,、,E,2,能级的粒子数为,N,1,、,N,2,E,2,E,1,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。,指数衰减律,21,自发辐射系数，,注意到：,dN,21,=,dN,2,于是有,E,2,E,1,N,2,N,1,h,1,0,自发辐射的各原子发的光是,独立的,、,无关的非相干光,。,2,0,考虑原子在,E,2,能级的平均停留时间,称为原子在,E,2,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,E,2,平均停留时间为 10秒。,一般激发态寿命：,一般亚稳态寿命：,二、吸收,（,absorption）,外来光频率满足,h, = E,2, E,1,时，,E,1,能级粒子吸收一个光子，跃迁到,E,2,能级，称为,受激吸收,E,1,E,2,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。,B,12,受激吸收系数，,w,光谱辐射能量密度,受激吸收概率,E,2,E,1,N,2,N,1,h,h,h,三、受激辐射,(,stimulated radiation,),外来光频率满足,h, = E,2, E,1,时，,E,2,能级粒子受其刺激,，,跃迁到,E,1,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。,E,2,E,1,N,2,N,1,h,E,2,E,1,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。,B,21,受激发射系数，,受激发射概率,定义,1,0,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。,2,o,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,A,2l,、,B,2l,和,B,12,表征，它们之间关系是,3,o,比较受激辐射与吸收的强度，有,在室温下：,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,(,population inversion,),单位时间、单位体积内：,吸收的光能量是：,受激辐射的光能量是：,净增加的光能量是：,光强与光能量关系是,利用三个系数关系,增益系数,显然：,光强减少,光吸收,光强增加,光放大,（称为粒子数反转）,二、激光工作物质,问题提出,:,N,2,亮度：,B,S,p,可产生10,8,K,的高温，引起核聚变,聚焦状态可达到,3.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,-4,red（,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:,h,/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,10,9,W,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：,HeNe，CO,2,，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,（10,7,10,9,K,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,-5,10,4,m/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,10,20,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（10,11,10,15,Hz），,信息容量大，,清晰，,功耗小，,用脉冲的染料激光（波长585,nm）,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5500,o,C,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,