第八篇第一講激光原理

1、 激光器是1960年誕生的一種新型光源。激光具有能量集中、方向性強(qiáng)、單色性好和相干性好的一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在科技領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，激光的產(chǎn)生與應(yīng)用為光學(xué)的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的紀(jì)元。 激光是受激輻射的光放大的簡(jiǎn)稱(chēng)，其英文全名為： “l(fā)ight amplification by stimulated emission of radiation”激光是第一個(gè)字母的縮寫(xiě)“l(fā)aser” 。即激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射。 目前，常用的激光器按照增益介質(zhì)的種類(lèi)可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器四類(lèi)。而按激光器的工作方式不同又可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器。在物質(zhì)發(fā)

2、光和光吸收過(guò)程中在物質(zhì)發(fā)光和光吸收過(guò)程中,主要涉及三種過(guò)程主要涉及三種過(guò)程:受激吸收受激吸收,自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射和受激輻射e2e1n2n1h 外來(lái)光有可能被吸收，使原子從外來(lái)光有可能被吸收，使原子從e1e2 .單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來(lái)光而從來(lái)光而從e1e2 的原子數(shù)：的原子數(shù)：11212nwdtdn 吸吸收收 設(shè)設(shè) n1 、n2 單位體積中單位體積中處于處于e1 、e2 能級(jí)的原子數(shù)能級(jí)的原子數(shù) 單位體積單位時(shí)間內(nèi)，從單位體積單位時(shí)間內(nèi)，從e2 e1自發(fā)輻射的原子數(shù)自發(fā)輻射的原子數(shù)： e2e1n2n1h 處于高能級(jí)處于高能級(jí)e2的原子自發(fā)地向低能級(jí)的原

3、子自發(fā)地向低能級(jí)e1躍遷而放出光子躍遷而放出光子22121nadtdn 自自發(fā)發(fā)2ndtdn 自自發(fā)發(fā)21寫(xiě)成等式寫(xiě)成等式 e2e1n2n1全同光子全同光子h 處于高能級(jí)處于高能級(jí)e2的粒子在外來(lái)輻射的作用下的粒子在外來(lái)輻射的作用下,躍遷回低能躍遷回低能級(jí)級(jí)e1,同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來(lái)輻射相同頻率的光子同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來(lái)輻射相同頻率的光子.外來(lái)光頻率滿(mǎn)足外來(lái)光頻率滿(mǎn)足:hee12 單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從從e e受激輻射的原子數(shù)：受激輻射的原子數(shù)：221nwdtdn21 受激受激處于熱平衡下的粒子處于熱平衡下的粒子,滿(mǎn)足玻耳茲曼分布滿(mǎn)足玻耳茲曼分布ktennn e 若若 e2

4、 e 1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)之比，則兩能級(jí)上的原子數(shù)之比: 1e1212 kteenn即能級(jí)越高即能級(jí)越高,粒子數(shù)越少粒子數(shù)越少. 數(shù)量級(jí)估計(jì)：數(shù)量級(jí)估計(jì)：t 103 k；kt1.3810-20 j 0.086 ev;e 2-e 11ev;10860112 5.10ee12kteenn21212dnwndt受 激12121dnwndt吸 收從從e2 e1 自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過(guò)程，自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過(guò)程，也可能引起吸收過(guò)程。也可能引起吸收過(guò)程。吸吸收收受受激激 dtdndtdn1221必須必須 n2 n1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。根據(jù)愛(ài)因斯坦輻射公式可得根據(jù)愛(ài)因斯坦

5、輻射公式可得w21=w12產(chǎn)生激光必須產(chǎn)生激光必須 (2) 能源輸入系統(tǒng)能源輸入系統(tǒng)(稱(chēng)為泵或抽運(yùn)稱(chēng)為泵或抽運(yùn))能不斷的將能量輸送給激活介質(zhì)，將原子有低能級(jí)激能不斷的將能量輸送給激活介質(zhì)，將原子有低能級(jí)激發(fā)到合適的高能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)到合適的高能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(1) 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)（激活介質(zhì)）能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)（激活介質(zhì)） 亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：大多數(shù)物質(zhì)原子的激發(fā)態(tài)都是不穩(wěn)定亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：大多數(shù)物質(zhì)原子的激發(fā)態(tài)都是不穩(wěn)定的，原子能夠在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間很短，稱(chēng)之為能的，原子能夠在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間很短，稱(chēng)之為能級(jí)壽命級(jí)壽命很短（很短（10-8s）。而亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的壽命可）。而亞穩(wěn)態(tài)

6、能級(jí)的壽命可達(dá)達(dá)ms甚至甚至s數(shù)量級(jí)。當(dāng)粒子被激發(fā)后，能夠在亞穩(wěn)數(shù)量級(jí)。當(dāng)粒子被激發(fā)后，能夠在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)停留較長(zhǎng)時(shí)間，以便創(chuàng)造粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的態(tài)能級(jí)停留較長(zhǎng)時(shí)間，以便創(chuàng)造粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件。條件。 三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng) e3與與e1構(gòu)成一個(gè)寬吸收構(gòu)成一個(gè)寬吸收帶帶,e3上的原子無(wú)輻射躍上的原子無(wú)輻射躍遷到遷到e2 , e2與與e1構(gòu)成粒子構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)數(shù)反轉(zhuǎn),三能級(jí)體系效率三能級(jí)體系效率不高不高. 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng) e3 e1壽命短壽命短, e2 是亞穩(wěn)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài),因此能容易實(shí)現(xiàn)因此能容易實(shí)現(xiàn)e2與與e1能能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),四能級(jí)四能級(jí)體系效率高體系效率高激激勵(lì)勵(lì)抽抽運(yùn)運(yùn)e

7、1e2e3a21w12w21激激勵(lì)勵(lì)抽抽運(yùn)運(yùn)a21w12w21e1e2e3e0激勵(lì)能源激勵(lì)能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光(2).光學(xué)共振腔光學(xué)共振腔 (1).工作物質(zhì)：能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光放大工作物質(zhì)：能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光放大作用：作用：產(chǎn)生和維持光振蕩。產(chǎn)生和維持光振蕩。 控制光振蕩，使激光以特定的頻率輸出?？刂乒庹袷?，使激光以特定的頻率輸出。(3) 泵：為工作物質(zhì)提供能量，使其實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的裝置泵：為工作物質(zhì)提供能量，使其實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的裝置 方向性好方向性好 激光能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很激光能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為小

8、，一般為10-510-8球面度。球面度。 亮度高亮度高 光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)間內(nèi)光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)間內(nèi)沿單位立體角所發(fā)射的能量。例如，太陽(yáng)表面的亮度比沿單位立體角所發(fā)射的能量。例如，太陽(yáng)表面的亮度比蠟燭大蠟燭大30萬(wàn)倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺(tái)普通的激光萬(wàn)倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺(tái)普通的激光器的輸出亮度，比太陽(yáng)表面的亮度大器的輸出亮度，比太陽(yáng)表面的亮度大10億倍。億倍。 單色性好單色性好 如如hene激光器發(fā)射的激光器發(fā)射的632.8nm的譜線(xiàn)寬度的譜線(xiàn)寬度僅為僅為10- 9nm?？捎米鞴忸l計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)?？捎米鞴忸l計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。 相干性好普通光源（如鈉燈、汞燈等）其

9、相干長(zhǎng)度只有相干性好普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長(zhǎng)度只有幾個(gè)厘米，而激光的相干長(zhǎng)度則可以達(dá)到幾十公里，比幾個(gè)厘米，而激光的相干長(zhǎng)度則可以達(dá)到幾十公里，比普通光源大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。普通光源大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科，主要分為以下幾類(lèi)： 激光焊接激光焊接：汽車(chē)車(chē)身厚薄板、汽車(chē)零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有yag (釔鋁石榴石)激光器，co2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。 激光切割激光切割：汽車(chē)行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以

10、下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有yag激光器和co2激光器。 激光打標(biāo)激光打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有yag激光器、co2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。 激光熱處理激光熱處理：在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、齒輪等零部件的熱處理，同時(shí)在航空航天、機(jī)床行業(yè)和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。 激光化學(xué)：激光化學(xué)：激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，比如利用不同波長(zhǎng)的紫外精確地

11、打在分子的鍵上，比如利用不同波長(zhǎng)的紫外激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過(guò)程。也可利用改變激差，則控制了該分子的斷裂過(guò)程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上，分子身上， 觸發(fā)某種預(yù)期的反應(yīng)。觸發(fā)某種預(yù)期的反應(yīng)。 激光醫(yī)療：激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類(lèi)：激光激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類(lèi)：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。者則以激光作為能量載體。 激光武器：激光武器：激光測(cè)距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點(diǎn)，激光測(cè)距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點(diǎn)，將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達(dá)相比于無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)，由于激光發(fā)散角小，激光雷達(dá)相比于無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)，由于激光發(fā)散角小，方向性好，因此其測(cè)量精度大幅度提高。由于同樣方向性好，因此其測(cè)量精度大幅度提高。由于同樣的原因，激光雷達(dá)不存在的原因，激光雷達(dá)不存在“盲區(qū)盲區(qū)”，因