第10章 光的量子性和激光器讲解.ppt

第十章 光的量子性和激光基础 * 光的电磁理论 1960年 梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器 同年制成氦氖激光器 1962年 产生了半导体激光器 解释了 无法解释 光传播时的干涉、衍射和偏振等具有波动性质的光现象 光与物质相互作用（如黑体辐射，光电效应 1900年 普朗克提出辐射能量子的假设。 1905年 爱因斯坦引进光子的概念，发展了自发辐射和受激辐射的理论，预言存在原子产生受激辐射放大的可能性。 二、 光发射与吸收的量子模型及激发方式 1. 光发射与吸收的量子模型 原子的能量状态不能连续改变，是量子化的，能量状态称为量子态 基态 激发态 能量最低的量子态 能量高于基态的量子态 光子 高能级 低能级 光子能量 跃迁 发射 吸收 加热 波耳兹曼（Boltzmann）定律 处在激发能为Ei的能级上的原子数目 该能级的统计权重或简并度 最低能级的量子态的原子数 波耳兹曼常数 系统的热力学温度 当T升高，Ni迅速增加，它们向低能级跃迁时，会发射出光子 许多气态物质，特别是金属蒸气，加热易发光 基态 较高能级 跃迁 激发 ＝ 2. 激发方式 辐射激发 基态 较高能级 受激吸收 ＝ 吸收光子 跃迁 发射光子 两种途径 1）直接回到基态 2）通过中间能级回到基态 荧光 共振辐射 光致发光方式 碰撞激发 氢灯、汞灯、钠光灯的激发方式 机理 阴极 电子 发射 电场作用 获得动能的电子 碰撞 原子 能量传递 高能级的原子 激发 共振转移 基态的原子 激发态的原子 碰撞 跃迁 激发态 基态 回到 电致发光方式如：气体放电光源氢灯、汞灯等 第二节 自发发射、受激发射与受激吸收 一、自发发射 处在高能级上的原子，都具有向往稳定而自发地回到低能态地特性，当它们返回低能级时以光的形式释放出能量。 发射的光波的特点： （对于二能级系统） 频率相同 位相不相关 偏振方向和传播方向随机分布 非相干的自然光 二、受激发射 光子作用于高能级的原子上时产生受激发射 以二能级系统为例 高能级原子受到光子激励，变到低能级 于是 受激发射过程中，光子数获得了放大 与入射光子比较 频率相同 相位相同 偏振方向相同 传播方向相同 发射的光波的特点： 二者完全相干 在dt时间内，单位体积中从高能级受激跃迁到低能级的原子数 受激发射系数 高能级原子数密度 入射光的单色辐射密度 受激发射几率 与入射光强有关 三、受激吸收 上式表明 1）低能态E1的原子吸收光子 的能量才能被抽运到高能态E2上 2）原子对光能量的吸收是有选择性的，即唯有频率为 的光子对E1能级上的原子作用，才能使原子激发到E2能级上去 受激吸收 消耗外来光子能量完成泵浦过程，即把低能级上的原子抽运到高能级上 受激发射 高能级的原子发射光子完成光放大过程 1. 激光加工 激光打孔 激光切割 激光焊接 激光雕刻 2. 激光武器 直接利用激光的巨大能量。在瞬间危害和摧毁目标 激光武器推毁目标的主要手段就是烧蚀、激波和辐射。 激光武器的主要特点有三个，一是反应时间短、照射速度快、命中精度高 3.激光光纤通讯 光导纤维传光是利用在光导纤维中传输光线在界面上发生全反射来实现的 有线广播电视 可视电话、电话会议、医疗会诊 4. 激光测量 它是利用测量激光往返目标 物所需的间，来决定目标物的距离。使用激光系统测距的优点 ，在于激光本身的高方向性和 发散角很小，拥有较高的功 率密度，並可准确地指定目标。 利用激光绘制灾害图 激光检测大气含量 第三节 激光的基本原理 爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射的光放大 受激辐射光放大 雪崩似地放大 自发辐射发光 激光 产生激光的装置——激光器 粒子数反转及其能级系统 受激发射是一种光放大过程。在热平衡条件下，从总体上看这种光放大过程不占优势 因为 即低能级上的原子数目多于高能级上的原子数目 解决办法 粒子数反转 即高能级上的原子数目多于低能级上的原子数目 实现粒子数反转，原子的能级不能少于三级 三能级系统产生粒子数反转的例子 粒子数原来呈玻耳兹曼分布 激发 原子从E1能级上升到E3能级 E1和E3间的原子数达到动态平衡 E1和E3间的不形成粒子数反转 E1和E2间的形成粒子数反转 E1最稳定 E3最不稳定 E2较稳定——亚稳态（粒子数反转的必要条件） 第一台激光器红宝石激光器是三能级系