激光的特點及應用

激光的特點及應用▲1960年5月（美國）梅曼制成世界上第一臺激光器▲我國第一臺激光器是中國科學院長春光學精密機械研究室王之江等幾位同事共同實驗研制的。工作物質(zhì)是紅寶石晶體。時間是1961年9月。激光是一種新光源，也是一門新興的科學技術(shù)激光的特點及應用一、激光的特點：方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）空間相干性好，有的激光波面上各個點都是相干光源。時間相干性好（～10-8埃），相干長度可達幾十公里。相干性極好單色性好氦——氖激光器發(fā)出的光波長為632.8nm,波長范圍為脈沖瞬時功率大（可達～1014瓦）亮度極高能量集中二、激光的應用激光加工、激光準直、激光測距、激光手術(shù)、激光武器、激光核聚變.--------方向性好和能量集中激光測長、激光干涉、激光測流速、激光全息照象、--------激光相干性極好激光通訊、數(shù)據(jù)處理、--------超短脈沖激光激光信息儲存和光計算機：光計算機的運算速度可高達每秒百億次.按工作方式分連續(xù)式（功率可達104

W）

脈沖式（瞬時功率可達1014W

）固體（如紅寶石Al2O3）

液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）

半導體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分三、激光的種類：1、自發(fā)輻射:設N1

、N2—單位體積中處于E1

、E2

能級的原子數(shù)。單位體積中單位時間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)：E2E1N2N1h2激光的產(chǎn)生一、光和原子的相互作用寫成等式

Ａ21自發(fā)輻射系數(shù)，單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過程的概率。各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、無關(guān)的非相干光。2．受激輻射:N2E1E2N1全同光子h設（、Ｔ）……溫度為Ｔ時,頻率為

=(E2-E1)/h附近，單位頻率間隔的外來光的能量密度。單位體積中單位時間內(nèi)，從E２

E１

受激輻射的原子數(shù)：寫成等式

B21受激輻射系數(shù)W21單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率。則受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同------有光的放大作用。令 W21=B21·

（、T）3.吸收:E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子從E1E2。 單位體積中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從

E1E2的原子數(shù)：寫成等式

B12

吸收系數(shù)令W12=Ｂ12(、T)W12

單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率。A21、B21、B12稱為愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦在1９１７年從理論上得出愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎。沒有實驗家,理論家就會迷失方向。沒有理論家,實驗家就會遲疑不決。B21=B12二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一.為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn):從E2

E1

自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。 必須N2> N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。因B21=B12

W21=W12產(chǎn)生激光必須

把的原子激發(fā)到高能態(tài)上去，這個過程叫激勵，俗稱泵浦。能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。例.He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三、激活物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)反射鏡反射鏡毛細管陽極陰極布氏窗外腔式He一Ne氣體激光器He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)3P4P2P3S5S4S20.66eV19.78eV20.30eV18.70eV16.70eVHe-Ne激光管的工作原理：由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級)的概率比Ne原子被激發(fā)的概率大；在He

的23S，21S這兩個能級都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；在He的這兩個激發(fā)態(tài)上集聚了較多的原子。由于Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時非常容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；（要產(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設法減少下能級的粒子數(shù)）正好Ne的5S，4S是亞穩(wěn)態(tài)，下能級4P，3P的壽命比上能級5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在碰撞中He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而Ne則被激發(fā)到5S或4S；放電管做得比較細（毛細管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3

S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無輻射躍遷”而回到基態(tài)，以及時減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級4P與3P態(tài)的抽空。

Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標明了最強的三條:0．6328ｍ1．15m3．39ｍ它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四、光學諧振腔縱模與橫模全反射鏡部分反射鏡激勵能源激光器有兩個反射鏡，它們構(gòu)成一個光學諧振腔。光學諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。設氦氖激光器Ne原子的0．6328m受激輻射光的譜線寬度為,如圖所示。1.3109Hz0I激光的縱膜由于光學諧振腔兩端反射鏡處必是波節(jié)，所以有光程(k=1、2、3、…．)

k—真空中的波長n—諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率L