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第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 第17章 激光和固体 的量子理论 第6篇 近代物理基础 §17.1 激 光 T.H. Maiman 1927- 1960年T.H. Maiman研制出第一台激光器 1961年中科院长春光机所由王大珩领导，王之江、邓锡铭等人研制出第一激光器。 王大珩 1915－ 王之江 1930－ 邓锡铭 1930－1997 激光原理 Light Amplification by Stimulated Emission of radiation 即：激光是受激幅射的光放大幅射。或激光是受激幅射产生的，经放大后的光。 何谓受激幅射？何谓光放大？ Laser 是以下几个字的字头缩写： 1、自发辐射和受激辐射 （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E2自动跃迁到低能级E1, 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：所发光互相独立，频率、振动方向和相位都不相同, 是非相干光。 受激辐射产生的光子与外来的光子具有完全相同的状态。（频率、振动方向、相位完全相同） 受激辐射而得到的光是相干光。 受激辐射的特点： （2） 受激辐射 原子中处于高能级E2的电子，在外来光子，其频率恰好满足 的诱发下向低能级E1跃迁 , 并发出与外来光子一样特征的光子, 叫受激辐射. （1917年爱因斯坦提出） （3） 受激吸收 原子吸收外来光子能量 ，并从低能级E1跃迁到高能级E2且 , 这个过程称为受激吸收或光吸收。 在受激幅射中，通过一个入射光子的作用，可以得到两个特征完全相同的光子。如果这两个光子再引起其它原子受激辐射，就能得到更多特征相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可以引起大量原子产生受激辐射，从而产生大量特征相同的光子，这种现象称为光放大。 2、 产生激光的条件 但通常情况下，处于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。为了实现光放大，只有通过外界能源（气体放电或光照射）的诱发，将低能级的原子激发到高能级上去——粒子数反转。 产生激光需要三个条件：一要具有适当的能级结构，能产生受激辐射光放大的工作物质（称为激光物质）；二要使激活物质发出激光的能源（称为激励能源）；三要有一个维持光振荡的谐振腔（称为光学谐振腔）。 （1）粒子数反转 受激幅射是产生激光的基础，但能量为 的光子在物质中传播时，可能产生两种效果：一是引起受激幅射形成光放大；另也可能产生光吸收。光放大使光子数增多，光吸收会使光子数减少。哪个占优取决高低能级的原子数。显然，要形成激光，必须使受激辐射占优势。 粒子数反转是实现光放大的必要条件 怎样才能实现粒子数反转呢？ ① 要有必要的能量输入系统 —— 激励源； 激励 —— 从外界输入能量（如光照, 放电等），把低能级上的原子激发到高能级上去 , 这个过程叫做激励（也叫泵浦）。 ② 要有能级合适的工作物质（气体、液体或固体） 产生激光的原子系统称为“工作物质” 所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激发态寿命?=10-3秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有10-8秒） 具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。 红宝石中铬离子能级示意图 . . 。 。 基态 亚稳态 激发态 红宝石激光器(三能级系统) 当红宝石受到光照射时，处于基态的铬离子吸收光子而跃迁到激发态E3，铬离子在E3上停留的时间很短，很快以无辐射跃迁方式转移到亚稳态E2上，铬离子在E2上停留的时间较长，因而并不立即以自发辐射的方式返回到基态，在外界强光的不断激励下，亚稳态上的粒子不断积累，这样在E2和E1之间形成粒子数反转。 （2）光学谐振腔 . . . . . . . . . . 激光光束 全反射镜 光 学 谐 振 腔 示 意 图 部分透光反射镜 在激光物质的两端安置两个相互平行的反射镜，就构成了光学谐振腔。它能从各种各样的光信号中选出一种特定的光信号加以放大，而把其它的光信号消除。 谐振腔的作用是使那些沿管轴方向传播的光子能在反射镜之间实现多次来回反射，且不断激发处于粒子数反转的工作物质，使光放大增强。 粒子数反转分布只能形成光放大，还不能获得激光。要获得激光，还必须有一个光学谐振腔。 其中一部分从右边的半透光反射镜输出。偏离管轴的光子，经若干次反射会溢出管外而被淘汰掉。 . . . . . . . . . . 激光光束 全反射镜 光 学 谐 振 腔 示 意 图 部分透光反射镜 所以谐振腔对光束