激光基本原理和与特性器件.ppt

第五章 激光基本原理和与特性器件 激光基本原理和器件 主要参考书籍 伍长征等。激光物理学。复旦大学出版社。1989 吕百达。激光光学光束传输变换与光腔物理。高等教育出版社。2003 朱箐。激光医学。上海科学技术出版社。2003 刘敬海，徐荣甫。激光器件与技术。北京理工大学出版社。1995 W.克希耐尔。孙文，姜泽文译。固体激光工程。科学出版社。2003。 主要内容 激光的产生及其基本性质 激光器工作原理和激光器件 激光器的基本技术 激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。 1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器， 1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后，在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。 与激光有关的诺贝尔物理学奖获得者有： 1964年，美国汤斯、原苏联巴索夫和普洛霍罗夫因在激光理论上的贡献而获奖。 1981年美国肖洛因发展激光光谱学及对激光应用作出的贡献、美国布隆伯根因开拓与激光密切相关的非线性光学共同获奖。 1997年美国朱棣文、科恩和飞利浦因首创用激光束将原子冷却到极低温度的方法共同获奖。 激光 5.1 概述 光的波粒二象性 一、光的粒子性 二、光的波动性 光的粒子性 能量、质量、动量是表征物质粒子性特征的重要物理量。根据爱因斯坦的学说，光子的能量与质量分别是： 式中C为光子的速度，即光速。 为光的波长。 光子既有质量又有速度，它必有动量： 其方向与光速一致。 由此可知，光子具有粒子的特征，是一种基本粒子。但由于没有速度为零的光子，因此光子没有静止质量，表明它又与电子、质子、中子等不同，它不是实物粒子，而是一种与波动相联系着的能量微粒。 光的波动性 电磁波谱 光的波动性 光波是电磁波的一种。光波具有电磁波的一般性质。 l. 描述光波的物理量 (1)光速 光振动在单位时间内传播的距离称为光速. (2)波长 波线(波的传播方向)上两个相邻同相位振动点之间的距离称为波长，用表示。 (3)周期与频率 一个完整的波通过波线上某一振动点所用的时间称为波动的周期，用表示。每秒钟通过波线上某一振动点的完整波数称为频率，用表示。与描述光波在时间上的周期性，它们是由波源决定的。显然，两者之间有关系，的单位是秒(s)，的单位是赫兹(Hz) 三者之间关系 2. 光的相干性 干涉现象是波动的特征之—。当两束光在空间相遇时，在其叠加区域内有的地方光始终加强，有的地方光始终减弱，形成稳定的强弱分布，这种现象称为光的干涉。只有满足相干条件，即光矢量的振动频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两束光在空间相遇才能发生干涉。这种光称相干光，产生相干光的光源称相干光源。 由于光的相干性而使光波可以绕过障碍物而传播，此种现象称为光的衍射。衍射现象也是波动的特征之一。 3．光的偏振性 光波是横波，光矢量的振动只限于某一确定平面内的确定方向的光称为平面偏振光，简称偏振光。光矢量的振动方向与光的传播方向所构成的面称为偏振光的振动面。 激光的本质 激光的光子与普通光的光子毫无区别，两者的本质相同。所以激光具有普通光的一切特征，故在研究激光的有关问题时，可分别采用几何光学或物理光学的方法去处理。但是，由于激光与普通光的发光机制不同，所以激光具有与普通光所不同的一些特性，尤其是由大量光子所组成的激光束所表现的整体行为较之普通光束有着显著的不同。 5.2 激光的基本原理 粒子的能级 物质的发光是从组成物质的分子、原子、离子的能级跃迁而引起的。 一、原子的能级 二、原子的平均寿命 原子的能级 原子是由原子核与绕核运转的电子组成。电子只能在一系列特定的轨道上绕核运动，即原子只能处在一系列特定的能量状态。把分立的原子能量值(电子的动能与电子、原子核之间的静电势能之代数和)称为原子的能级。其中最低者称为基能级，所对应之状态称为基态。其余的能级称为激发能级或高能级，对应之状态称为激发态。 原子从一个能级跳到另一个能级的过程称为原子的跃迁。这一跃迁必然伴随发生原子与外界交换能量的过程。当原子从低能级跃迁到高能级时将从外界吸收能量，反之将向外界释放能量。当然，原子的跃迁不是在任何两个能级之间都能实现的，而只在满足所谓“选择定则”的能级之间才能实现，且各能级间跃迁的几率也并不一致，有的大，有的却小。