大学物理 第21章量子物理的应用.pptVIP

*激光(Laser)，它的全名是“受激辐射的光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)第21章量子物理的应用21.1激光什么是受激辐射？什么是光放大？如何实现光放大？一、激光原理A、光的吸收E2E1n2n1h?处于基态(或低能态)E1的原子，在吸收能量为h?的一个光子后跃迁到高能态E2，这一过程叫做光的吸收设n1、n2为单位体积中处于E1、E2能级的原子数。1、光与物质相互作用E2E1n2n1h?自发辐射要满足选择定则，各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。处于高能态E2的原子，在没有任何外界作用的情况下，自发地向基态(或低能态)E1跃迁，同时辐射出能量为h?=E2-E1的光子，这种光辐射称为自发辐射。B、自发辐射C、受激辐射E2E1n2n1全同光子h?处于高能态E2的原子，在能量为h?=E2-E1的外来光子的诱发下，跃迁到基态（或低能态）E1，同时辐射出光子，这种光辐射称为受激辐射。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------有光的放大作用。光与物质相互作用总是同时存在三种过程。当达到平衡时，单位体积中在单位时间内通过吸收光子从基态跃迁到激发态的原子数目必定等于从激发态通过自发辐射及受激辐射回到基态的原子总数。D、光放大A、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，还能引起受激吸收，关键在于上下能级的粒子数比。2、实现激光的条件高能级E2上的粒子数密度n2超过低能级E1的粒子数密度n1的这种分布叫做粒子数的反常分布，简称粒子数反转。为了得到光放大，就必须实现粒子数反转而要粒子数反转，必须从外界给工作物质提供能量。可使用气体放电、光照、化学反应等，把处于低能态E1的原子激发到高能态E2上去，这个过程叫激励，俗称泵浦。热平衡条件下，处在能量为E2和E1的能级上的粒子数为因E2E1，所以n2n1，热平衡时不会产生激光。B、激活物质能级结构要实现粒子数反转，电子在上能级要停留足够长的时间，这只有在不满足选择定则的亚稳态能级上才能够实现。原子从高能态跃迁到低能态，不仅有受激辐射，还有自发辐射。注意：自发辐射要满足选择定则。能实现粒子数反转，具有亚稳能级的物质，称为激活物质。E1（基态）E2（亚稳态）10-3sE310-8s三能级系统激励自发E1（基态）四能级系统E3（亚稳态）10-3sE410-8sE210-8s激励自发自发能够产生激光的激活物质的能级有两大类。He的2s能级也是亚稳态，但激发的概率很大；Ne的5s是亚稳态，下能级3p的寿命比上能级5s要短得多，是四能级系统，这样就可以形成粒子数的反转。He-Ne激光器常见的632.8nm激光，是Ne的5s到3p态跃迁发出的。3、例子：He-Ne气体激光器的粒子数反转He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5:1~10:1。Ne不容易从基态激发到5s态，因此引入辅助物质He。泵浦后，He从基态激发到2s能级，在这个能级上集聚了较多的原子。由于Ne的5s(20.66eV)与He的2s和(20.61eV)的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5s；Ne从5s到3p态发出632.8nm的激光。激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。激励能源?全反射镜部分反射镜?激光二、激光器结构激光器有三大基本组成部件：激励源、工作介质、光学谐振腔。工作介质－具有适当的能级结构，能够产生受激辐射的光放大；光学谐振腔－维持光振荡。激励源－供给能量，使粒子数反转;产生激光的必要条件:ｌ.激励能源（使原子激发）２.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。激光具有很好的方向性是由于谐振腔对光束方向性的选择作用所致2、按工作方式划分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）3、按波长划分极紫外──可见光──亚毫米（100nm）（1.222mm）1、按工作物质划分