第16章早期量子论.ppt

* 玻尔理论虽然圆满解释了氢原子及类氢原子的光谱，但对谱线的强度无法计算；对其它原子更无能为力。 从理论上讲，只不过是在经典理论的基础上加上了一些量子条件，它远不是真正的量子论。 真正的量子论我们将在第17章中介绍。 * §16.5 激光原理 一. 光的吸收和辐射 E2 E1 光的吸收 - - E2 E1 光的辐射 hv=E2 -E1 E2 -E1=hv 本节仅就激光形成的基本原理和它的特性及其应用作一扼要的介绍。 - E2 E1 自发辐射 E2 -E1=hv * 二. 自发辐射和受激辐射 处于激发态的原子，在没有外界作用的情况下，自发地从激发态返回基态，从而辐射出光子。这种辐射称为自发辐射。 特点: 自发辐射出的光子特性(频率、相位、偏振状态、传播方向)均不同，所以自发辐射的光是不相干的。普通光源发光就属于自发辐射。 * hv=E2 -E1 - E2 E1 受激辐射 E2 -E1=hv 处于激发态的原子，在自发辐射前受到能量hv= E2-E1的外来光子的剌激，从高能态E2跃迁到低能态E1，同时辐射出一个与外来光子状态相同的光子。这种辐射称为受激辐射。 特点：受激辐射辐射发出的光子特性(频率、相位、偏振状态以及传播方向)完全相同。 * 由于受激辐射出的大量光子特性相同，即光子简并度大，所以受激辐射发出的光相干性好，亮度极高， 从而出现光源的质的飞跃。 因此，受激辐射是形成激光的基础。 一个光子的输入, 由于受激辐射而得到两个完全相同的光子，这两个又可变为四个 ……这就形成了雪崩式的光放大过程。 * 有了受激辐射，是否就能得到激光输出呢？ 三. 粒子数反转 否！要知道，光通过工作物质时，不仅有受激辐射形成的光放大，还有光的吸收。 根据玻耳兹曼分布律，通常温度下，处于低能态的原子数总是多于高能态的原子数(正常分布)。光通过这种煤质时，吸收光子的原子多，辐射光子的原子少，因此总的效果是光强减弱。 要获得真正的光放大，就要求辐射光子的原子多，吸收光子的原子少，这就必须使处于高能态上的原子数N2多于低能态原子数N1，这种分布称为粒子数反转分布。 实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 * 实现粒子数反转的两个条件是： 第一，外界向工作物质输入能量，把尽可能多的原子从低能级激发到高能级，这一过程称为激励(也称为抽运或泵浦)。 第二， 工作物质要有(能发生粒子数反转的)适当的能级结构。 * 四. 光学谐振腔 2. 改善方向性； 3. 提高单色性。 k =1,2,... . . . . . . . . 光学谐振腔 全反射 反射99% 输出激光束 L k=1 k=2 k=3 L 1. 产生和维持光放大； * 一个激光器由三个基本部分组成: 激光工作物质、激励(能源)装置和光学谐振腔。 激光器的组成 全反射 反射99% 工作物质 光学谐振腔 . . . . . . . . 激励装置 五.激光器的组成 * 按照工作物质来分，可分为 气体激光器、半导体激光器、固体激光器和液体激光器等。 六. 激光器的类型 按照激光输出方式来分，又可分为 连续输出激光器和脉冲输出激光器。 * 红宝石是一根掺有0.035%铬离子(Cr3+)的Al2O3晶体棒。 这是一个典型的三能级系统的激光器。 铬的工作能级 E1基态 E3激发态 E2亚稳态 光抽运 550nm 入射光光泵 快衰变(无辐射) 694.3nm激光 1.红宝石激光器 * 2. He-Ne激光器 6328? 碰撞交 换能量 亚稳态E2 基态E1 He Ne E1 E2 E3 电子碰撞激励 ? ? 以上激光器，其发光过程都是束缚电子发生受激辐射发出激光。其缺点： 一是发出光的波长由原子能级确定，因而无法调节。 二是受介质耐热性的限制，难于提高输出功率。 * 3. 自由电子激光 加速电子发射的电磁波沿轴向传播, 并在两反射镜间发生谐振。 前进中的电子与它所发射的光子产生受激康普顿散射而形成极强的相干光，这就是自由电子激光。 特点：波长可调, 高功率。 激光束 N S N S N S S N S N S N S N S N 反射镜 高