激光基础a2

11900普朗克提出：电磁辐射源体系能量量子化－黑体辐射定律1905爱因斯坦提出光子说1916爱因斯坦提出受激辐射的概念1930电磁辐射场与原子体系相互作用时可能发生三种过程1905微波技术产生21951Townes提出受激微波放大（Maser）1954氨分子微波发射器（实现粒子数反转）1958Schawlow、Townes设计了激光器1960Ruby激光出光（休斯实验室Maiman、Lamb）He－NeLaser出光（贝尔实验室Javer）1961长春光机所RubyLaser1962He－NeLaser出光1964上光所成立3•InventedbyaStanfordEEandPhysicsgraduate•WorkingintheHughesResearchLabsMay17,1960:TedMaiman’srubylaser45678普通光源-----自发辐射激光光源-----受激辐射激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)9一.特点：方向性极好（发散角～10-4弧度）脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源。时间相干性好（～10-8埃），相干长度可达几十公里。相干性极好亮度极高10按工作方式分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）三.波长：极紫外──可见光──亚毫米(100nm）（1.222mm）二.种类：固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓GaAs）按工作物质分11一、粒子数按能级的统计分布原子的激发由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：kTEnneN12若E2E1，则两能级上的原子数目之比11212kTEEeNN数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;1086011251012.kTEEeeNN13但要产生激光必须使原子激发;且N2N1,称粒子数反转(populationinversion)。原子激发的几种基本方式：1．气体放电激发2．原子间碰撞激发3．光激发(光泵)14二、自发辐射受激辐射和吸收1.自发辐射(spontaneousradiation)设N1、N2—单位体积中处于E1、E2能级的原子数。单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：2NdtdN自发21E2E1N2N1h15写成等式22121NAdtdN自发Ａ21自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。162．受激辐射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h设（、Ｔ）……温度为Ｔ时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。17单位体积中单位时间内，从E２E１受激辐射的原子数：2N)T(dtdN、受激21写成等式221NTBdtdN、受激21B21受激辐射系数18W21单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。221NWdtdN21受激则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。令W21=B21·（、T）193.吸收(absorption)E2E1N2N1h上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：112NT,dtdN吸收20写成等式11212NWdtdN吸收B12吸收系数令W12=Ｂ12(、T)W12单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。11212NT,BdtdN吸收21A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1９１７年从理论上得出1233218BChA爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。没有实验家,理论家就会迷失方向。没有理论家,实验家就会迟疑不决。B21=B12224、粒子数反转为何要粒子数反转？(populationinversion)22122121NWNT,BdtdN受激11211212NWNT,BdtdN吸收从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。23必须N2N1（粒子数反转）。因B21=B12W21=W12产生激光必须吸收受激dtdNdtdN122124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）25四、激光的特性及其应用方向性极好的强光束----准直、测距、切削、武器等。相干性极好的光束----精密测厚、测角，全息摄影等。26１．激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。272.激光手术刀（不需开胸，不住院）照明束……照亮视场纤维镜激光光纤……成象有源纤维强激光……使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束附属通道（可注入气或液）……排除残物以明视线套环……（可充、放气）阻止血流或使血流流通283．激光——原子力显微镜(AFM)用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。试样通常是微电子器件。激光-原子力显微镜（AFM）激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置29探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。30可检测出尺度小至5毫微米的表面起伏变化。用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。31随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。324.军事应用激光制导激光测距激光侦察大气激光通信33激光武器345.日常应用激光打印机电脑光驱CD/VCD条形码扫描器激光防伪激光霓虹灯356.通信领域的应用空间激光通信36激光技术发展史1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;2.20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；激光器方案的提出；3.1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；4.1960年至今：激光技术飞速发展。四、Laser－“激光”Laser“通过受激辐射实现光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation37激光器种类根据工作物质固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃：He—Ne，CO2，离子激光器：染料激光器