發(fā)光物理學(xué) 課件 十一、LED-激光發(fā)光原理2

1十一、激光與半導(dǎo)體光源楊盛誼2§11概述11.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀提到激光時(shí)腦海中的第一印象？11.1激光的發(fā)展與現(xiàn)狀什么是激光？LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：“受激輻射光放大”死光：葉永烈《珊瑚島上的死光》（1980）鐳射：LASER的音譯MASER:(MicrowaveAmplificationbyStimulationEmissionofRadiation)ALASERisaMASERthatworkswithhigherfrequencyphotonsintheultravioletorvisiblelightspectrum我國第一部科幻電影故事片激光

laser——lightamplificationbystimulatedemissionofradiation理論基礎(chǔ)：

光與物質(zhì)之間的共振相互作用是激光器發(fā)光的物理基礎(chǔ)。

1900年普郎克提出量子化假說，成功地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。最早提出激光理論的愛因斯坦1913年波爾又利用量子化假說，成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，Einstain于1917年首次提出了原子或分子可以在光的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收。受激輻射的概念提出四十年后，這個(gè)概念在激光技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。61960年梅曼研制成功世界上第一臺可實(shí)際應(yīng)用的紅寶石激光器

它標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生1961年研制出中國第一臺紅寶石激光器

最早發(fā)現(xiàn)激光的湯斯《紅外與光學(xué)激射器》湯斯如何發(fā)現(xiàn)激光？麥克斯韋及其方程組7赫茲在柏林大學(xué)跟赫爾姆霍茲學(xué)物理時(shí)，受赫爾姆霍茲之鼓勵(lì)研究麥克斯韋電磁理論，當(dāng)時(shí)德國物理界深信韋伯的電力與磁力可瞬時(shí)傳送的理論。因此赫茲就決定以實(shí)驗(yàn)來證實(shí)韋伯與麥克斯韋理論誰的正確。他將一小段導(dǎo)線彎成圓形，線的兩端點(diǎn)間留有小電火花隙。因電磁波應(yīng)在此小線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而使電火花隙產(chǎn)生火花。所以他坐在一暗室內(nèi)，檢波器距振蕩器10米遠(yuǎn)，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)檢波器的電火花隙間確有小火花產(chǎn)生。赫茲在暗室遠(yuǎn)端的墻壁上覆有可反射電波的鋅板，入射波與反射波重疊應(yīng)產(chǎn)生駐波，他也以檢波器在距振蕩器不同距離處偵測加以證實(shí)。赫茲先求出振蕩器的頻率，又以檢波器量得駐波的波長，二者乘積即電磁波的傳播速度。正如麥克斯韋預(yù)測的一樣。電磁波傳播的速度等于光速。1888年，赫茲的實(shí)驗(yàn)成功了，而麥克斯韋理論也因此獲得了無上的光彩。赫茲在實(shí)驗(yàn)時(shí)曾指出，電磁波可以被反射、折射和如同可見光、熱波一樣的被偏振。由他的振蕩器所發(fā)出的電磁波是平面偏振波，其電場平行于振蕩器的導(dǎo)線，而磁場垂直于電場，且兩者均垂直傳播方向。依照麥克斯韋理論，電擾動(dòng)能輻射電磁波。赫茲根據(jù)電容器經(jīng)由電火花隙會(huì)產(chǎn)生振蕩原理，設(shè)計(jì)了一套電磁波發(fā)生器，赫茲將一感應(yīng)線圈的兩端接于產(chǎn)生器二銅棒上。當(dāng)感應(yīng)線圈的電流突然中斷時(shí)，其感應(yīng)高電壓使電火花隙之間產(chǎn)生火花。瞬間后，電荷便經(jīng)由電火花隙在鋅板間振蕩，頻率高達(dá)數(shù)百萬周。由麥克斯韋理論，此火花應(yīng)產(chǎn)生電磁波，于是赫茲設(shè)計(jì)了一簡單的檢波器來探測此電磁波。81889年在一次著名的演說中，赫茲明確的指出，光是一種電磁現(xiàn)象。第一次以電磁波傳遞訊息是1896年意大利的馬可尼開始的。1901年，馬可尼又成功的將訊號送到大西洋彼岸的美國。20世紀(jì)無線電通訊更有了異常驚人的發(fā)展。赫茲實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)麥克斯韋的電磁理論，更為無線電、電視和雷達(dá)的發(fā)展找到了途徑。詹姆斯·弗蘭克（JamesFranck），德國著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家（后加入美國國籍）、1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

[1]。畢業(yè)于柏林大學(xué)。弗蘭克早期任德國哥廷根大學(xué)物理系主任兼物理學(xué)教授，從1938年起一直擔(dān)任世界頂級學(xué)府美國芝加哥大學(xué)物理系教授直至去世。美國曼哈頓計(jì)劃期間，弗蘭克與同在芝加哥大學(xué)的著名物理學(xué)家費(fèi)米、阿瑟·康普頓等人一起建立了人類第一臺核反應(yīng)堆（“芝加哥一號堆”）[2]，人類從此邁入原子能時(shí)代。1964年5月21日，弗蘭克突發(fā)心臟病在哥廷根逝世，享年82歲，后與第一任妻子一同葬于美國芝加哥。為了紀(jì)念他，芝加哥大學(xué)成立了著名的詹姆斯·弗蘭克研究院（JamesFranckInstitute），與恩利克·費(fèi)米研究院（EnricoFermiInstitute）并列為物理系兩大研究院。9

赫茲全名是海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrich

Rudolf

Hertz，1857年2月22日－1894年1月1日），德國物理學(xué)家，于1888年首先證實(shí)了電磁波的存在。

赫茲（Heinrich

Rudolf

Hertz）被譽(yù)為“電磁波之父”，對電磁學(xué)有很大的貢獻(xiàn)，因此頻率的國際單位制單位“赫茲”便是以他的名字命名。

1885年3月，赫茲到德國西南部邊境的卡爾斯魯爾(Karlsruhe)技術(shù)學(xué)院工作，

多爾博士(Dr.MaxDoll)很欣賞他，知道這個(gè)年輕人身上有一種不與人比較的風(fēng)骨；他請赫茲來家里坐坐，把女兒伊利沙白?多爾(Elisabeth

Doll

)介紹給他。伊利沙白知道這位尋求科學(xué)真理的男士，心里也是一片真誠與率直。他們認(rèn)識不到四個(gè)月就結(jié)婚，他們生了兩個(gè)女兒和一個(gè)兒子?。

1894年36歲的赫茲因?yàn)閿⊙Y在波恩英年早逝。他的侄子古斯塔夫·路德維格·赫茲是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，古斯塔夫的兒子卡爾·海爾莫斯·赫茲創(chuàng)立了超聲影像醫(yī)學(xué)。

1892年，赫茲被診斷出感染了韋格納肉芽腫(發(fā)病時(shí)會(huì)經(jīng)歷劇烈的頭痛)，而他試著去治療這種疾病。在1894年，赫茲在德國波恩不幸離世，享年36歲，他死后被埋在Ohlsdorf漢堡的猶太墓地。赫茲死后留下了他的妻子伊麗莎白?赫茲（原名：伊麗莎白?多爾）和兩名女兒喬安娜和瑪?shù)贍柕?。而他的妻子在他死后并沒有改嫁。

1960年，查爾斯薩?斯坎德拜訪了他女兒瑪?shù)贍柕?赫茲，詢問有關(guān)她父親的事，不久之后出版了一本有關(guān)海因里希?赫茲的書?，?shù)贍柕拢∕athilde

Carmen

Hertz，14

January

1891

–

20

November

1975）后來成為一個(gè)生物學(xué)家，而且是第一個(gè)有影響力的女科學(xué)家，在世界生物領(lǐng)域和比較心理學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)。10梅曼第一臺激光器的裝置圖11激光器的發(fā)明梅曼是美國休斯（Hughes）研究實(shí)驗(yàn)室（在加州南部）量子電子部年輕的負(fù)責(zé)人。1960年，梅曼才33歲，他于1955年在斯坦福大學(xué)獲博士學(xué)位，研究的正是微波波譜學(xué)。在休斯實(shí)驗(yàn)室梅曼做微波激射器的研究工作，并發(fā)展了紅寶石微波激射器，不過需要液氮冷卻，后來改用干冰冷卻。梅曼能在紅寶石激光器首先作出突破，并非偶然，因?yàn)樗延杏眉t寶石進(jìn)行微波激射器的經(jīng)驗(yàn)多年，他預(yù)感到紅寶石作為激光器的可能性，這種材料具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，例如能級結(jié)構(gòu)比較簡單，機(jī)械強(qiáng)度比較高，體積小巧，無需低溫冷卻等等。但是，當(dāng)時(shí)他從文獻(xiàn)上知道，紅寶石的量子效率很低，例如：外德爾（I.Weider）在1959年曾報(bào)導(dǎo)過，量子熒光效率也許僅為1％。如果真是這樣，那就沒有用場了。梅曼尋找其他材料，但都不理想，于是他想根據(jù)紅寶石的特性，尋找類似的材料來代替它。為此他測量了紅寶石的熒光效率，沒有想到，熒光效率竟是75％，接近于1。梅曼喜出望外，決定用紅寶石做激光元件。12通過計(jì)算，他認(rèn)識到最重要的是要有高色溫（大約5000K）的激勵(lì)光源。起初他設(shè)想用水銀燈把紅寶石棒放在橢圓形柱體中，這樣也許有可能起動(dòng)。但再一想，覺得無需乎連續(xù)運(yùn)行，脈沖即可，于是決定利用Xe燈。梅曼查商品目錄，根據(jù)商品的技術(shù)指標(biāo)選定通用電氣公司出產(chǎn)的閃光燈，是用于航空攝影的，有足夠的亮度。但這種燈具有螺旋狀結(jié)構(gòu)，不適于橢圓柱聚光腔。他又想了一個(gè)妙法，把紅寶石棒插在螺旋燈管之中，紅寶石棒直徑大約為1厘米，長為2厘米，正好塞在燈管里。紅寶石兩端蒸鍍銀膜，銀膜中部留一小孔，讓光逸出，孔徑的大小，通過實(shí)驗(yàn)決定。就這樣，梅曼經(jīng)過9個(gè)月的奮斗，花了5萬美元，做出了第一臺激光器?？墒钱?dāng)梅曼將論文投到《物理評論快報(bào)》時(shí)，竟遭拒絕。該刊主編誤認(rèn)為這仍是微波激射器，而微波激射器發(fā)展到了這樣的地步，已沒有什么必要用快報(bào)的形式發(fā)表了。梅曼只好在《紐約時(shí)報(bào)》上宣布這一消息，并寄到英國的《自然》雜志去發(fā)表。第二年，《物理評論》才發(fā)表他的詳細(xì)論文。13中國第一臺紅寶石激光器（1961.9）

在器件設(shè)計(jì)上，梅曼用螺旋管氙燈照射，我們用光學(xué)成像的辦法，只用了一支較小的直管氙燈，其尺寸同紅寶石棒的大小差不多，用高反射的球形聚光器聚光，使紅寶石棒好象泡在光源（氙燈）的像中，所以效率很高，只用了很小的能量激光就出來了。這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，建國初期國家在科學(xué)發(fā)展方面采取了正確政策，提倡年青一代科學(xué)工作者進(jìn)行創(chuàng)造性的工作。14激光與半導(dǎo)體光源11.1激光的原理、特性和應(yīng)用

11.2半導(dǎo)體光源—發(fā)光二極管（LED）與半導(dǎo)體激光器（LD,laserdiode也叫“激光二極管”）

15激光與半導(dǎo)體光源11.1.1波爾假說與粒子數(shù)正常分布11.1.2自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收11.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大11.1.4激光器的基本結(jié)構(gòu)11.1.5激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)11.1.6諧振腔與閾值11.1.7激光的縱模和橫模 11.1.8幾種典型的激光器

16尼爾斯·玻爾（丹麥1885～1962）原子結(jié)構(gòu)學(xué)說，具有劃時(shí)代意義的論文《論原子和分子結(jié)構(gòu)》

1922年，玻爾獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。1975年，兒子阿基·玻爾獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾（丹麥文：NielsHenrikDavidBohr，1885年10月7日—1962年11月18日）奧格·尼爾斯·玻爾是著名物理學(xué)家尼爾斯·玻爾之子。AageNielsBohr（1922年6月19日－2009年9月8日），生于丹麥哥本哈根，核子物理學(xué)家，1975年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。171885年10月7日，玻爾生于哥本哈根，父親克里斯丁·玻爾是哥本哈根大學(xué)的生理學(xué)教授，母親出身于一個(gè)富有的猶太人家庭，從小受到良好的家庭教育，并愛好足球，曾經(jīng)和弟弟哈那德·玻爾共同參加職業(yè)足球比賽。1903年玻爾進(jìn)入哥本哈根大學(xué)學(xué)習(xí)物理，1911年獲博士學(xué)位。

隨后，他曾在曼徹斯特大學(xué)盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室短期工作?；诒R瑟福的原子核理論和普朗克的量子說，1913年玻爾提出了原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型。按照這一模型電子環(huán)繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)，外層軌道比內(nèi)層軌道可以容納更多的電子；較外層軌道的電子數(shù)決定了元素的化學(xué)性質(zhì)。如果外層軌道的電子落入內(nèi)層軌道，將釋放出一個(gè)帶固定能量的光子。玻爾18歲進(jìn)入哥本哈根大學(xué)，很快就成了哥本哈根大學(xué)足球俱樂部的明星守門員，他習(xí)慣在足球場上一邊心不在焉地守著球門，一邊用粉筆在門框上排演著公式。玻爾后來進(jìn)入科研機(jī)構(gòu)，專心于原子物理研究，但他仍不忘心愛的足球，業(yè)余時(shí)間常把踢足球當(dāng)做休息，成為一名不折不扣的“科學(xué)家球星”。不過他也有分神的時(shí)候，據(jù)丹麥AB隊(duì)史料記載，在一場AB隊(duì)與德國特維達(dá)隊(duì)的比賽中，德國人外圍遠(yuǎn)射，尼爾斯·玻爾卻在門柱旁邊思考一道數(shù)學(xué)難題。18鮮為人知的是，1922年玻爾獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，丹麥報(bào)紙普遍采用的標(biāo)題是：《授予著名足球運(yùn)動(dòng)員尼爾斯·玻爾諾貝爾獎(jiǎng)》。但玻爾從未入選過國家隊(duì)。入選國家隊(duì)的是他的兄弟HaraldAugustBohr，丹麥數(shù)學(xué)家兼足球運(yùn)動(dòng)員。

1916年任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授；1917年當(dāng)選為丹麥皇家科學(xué)院院士。

1920年創(chuàng)建哥本哈根理論物理研究所，任所長。他在此后的四十年，一直擔(dān)任這一職務(wù)。

1921年，玻爾發(fā)表了《各元素的原子結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)》的長篇演講，闡述了光譜和原子結(jié)構(gòu)理論的新發(fā)展，詮釋了元素周期表的形成，對周期表中從氫開始的各種元素的原子結(jié)構(gòu)作了說明，同時(shí)對周期表上的第72號元素的性質(zhì)作了預(yù)言；

1922年，第72號元素鉿的發(fā)現(xiàn)證明了玻爾的理論，玻爾由于對于原子結(jié)構(gòu)理論的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他所在的理論物理研究所也在二三十年代成為物理學(xué)研究的中心。19

1923年，玻爾接受英國曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)名譽(yù)博士學(xué)位。

1930年代中期，研究發(fā)現(xiàn)了許多中子誘發(fā)的核反應(yīng)。玻爾提出了原子核的液滴模型，很好地解釋了重核的裂變。玻爾認(rèn)識到他的理論并不是一個(gè)完整的理論體系，還只是經(jīng)典理論和量子理論的混合。他的目標(biāo)是建立一個(gè)能夠描述微觀尺度的量子過程的基本力學(xué)。為此，玻爾提出了著名的“互補(bǔ)原理”，即宏觀與微觀理論，以及不同領(lǐng)域相似問題之間的對應(yīng)關(guān)系?；パa(bǔ)原理指出經(jīng)典理論是量子理論的極限近似，而且按照互補(bǔ)原理指出的方向，可以由舊理論推導(dǎo)出新理論。這在后來量子力學(xué)的建立發(fā)展過程中得到了充分的驗(yàn)證。玻爾的學(xué)生海森堡在互補(bǔ)原理的指導(dǎo)下，尋求與經(jīng)典力學(xué)相對應(yīng)的量子力學(xué)的各種具體對應(yīng)關(guān)系和對應(yīng)量，由此建立了矩陣力學(xué)?；パa(bǔ)理論在狄拉克、薛定諤發(fā)展波動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的過程中起到了指導(dǎo)作用。20在對于量子力學(xué)的解釋上，玻爾等人提出了哥本哈根詮釋，但遭到了堅(jiān)持決定論的愛因斯坦及薛定諤等人的反對。從此玻爾與愛因斯坦開始了玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)，最有名的一次爭論發(fā)生在第六次索爾維會(huì)議上，愛因斯坦提出了后來知名為愛因斯坦盒子的問題，以求駁倒不確定性原理。玻爾當(dāng)時(shí)無言以對，但冥思一晚之后發(fā)現(xiàn)巧妙的進(jìn)行了反駁，使得愛因斯坦只得承認(rèn)不確定性原理是自洽的。這一爭論一直持續(xù)至愛因斯坦去世。1937年5、6月間，玻爾曾經(jīng)到過中國訪問和講學(xué)。期間，玻爾和束星北等中國學(xué)者有過深度學(xué)術(shù)交流，玻爾稱束星北是愛因斯坦一樣的大師。束星北的文章《引力與電磁合論》、《愛因斯坦引力理論的非靜力場解》是相對論早期的重要論述。1939年，玻爾任丹麥皇家科學(xué)院院長。第二次世界大戰(zhàn)開始，丹麥被德國法西斯占領(lǐng)。1943年玻爾為躲避納粹的迫害，逃往瑞典。1944年，玻爾在美國參加了和原子彈有關(guān)的理論研究。1947年，丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為“騎象勛爵”。1952年，玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。1955年，玻爾參加創(chuàng)建北歐理論原子物理學(xué)研究所，擔(dān)任管委會(huì)主任。同年丹麥成立原子能委員會(huì)，玻爾被任命為主席。1962年11月18日，玻爾因心臟病突發(fā)在丹麥的卡爾斯堡寓所逝世，享年77歲。21二戰(zhàn)與戰(zhàn)后二戰(zhàn)期間德軍占領(lǐng)丹麥，海森堡前往哥本哈根與玻爾相見，即哥本哈根會(huì)見。此次會(huì)談的內(nèi)容各當(dāng)事人說法不一，至今仍然在爭論之中，但可以確定的是海森堡的話讓玻爾十分生氣，并損害了他們倆的友誼。為避免被德軍扣留，玻爾被迫于1943年逃離丹麥，坐船前往瑞典，然后坐一架小飛機(jī)到達(dá)倫敦。為了防止被人發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)要飛得很高。據(jù)說玻爾因?yàn)閷Ｐ乃伎?，而忘記了戴氧氣面罩。另一種說法是玻爾的頭太大，面罩尺寸不合適，使得玻爾在空中曾失去了知覺。隨后玻爾從倫敦前往美國，任洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的負(fù)責(zé)研制原子彈的曼哈頓計(jì)劃的顧問。按照著名物理學(xué)家費(fèi)曼的說法，當(dāng)時(shí)玻爾就如同物理界的神一般受到大家尊敬。1945年，玻爾回到丹麥，此后致力于推動(dòng)原子能的和平利用。1962年11月18日，玻爾在哥本哈根去世，去世前一天，他還在工作室的黑板上畫了當(dāng)年愛因斯坦那個(gè)光子盒的草圖。1965年玻爾去世三周年時(shí)，哥本哈根大學(xué)物理研究所被命名為尼爾斯·玻爾研究所。1997年，IUPAC正式通過將第107號元素命名為Bohrium,以紀(jì)念玻爾。其子奧格·尼爾斯·玻爾也是物理學(xué)家，于1975年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。22玻爾和愛因斯坦是在1920年相識的。那一年，年輕的玻爾第一次到柏林講學(xué)，和愛因斯坦結(jié)下了長達(dá)35年的友誼。但也就是在他們初次見面之后，兩人即在認(rèn)識上發(fā)生分歧，隨之展開了終身論戰(zhàn)。他們只要見面，就會(huì)唇槍舌劍，辯論不已。1946年，玻爾為紀(jì)念愛因斯坦70壽辰文集撰寫文章。當(dāng)文集出版時(shí)，愛因斯坦則在文集末尾撰寫了長篇《答詞》，尖銳反駁玻爾等人的觀點(diǎn)。他們的論戰(zhàn)長達(dá)30年之久，直至愛因斯坦去世。但是，長期論戰(zhàn)絲毫不影響他們深厚的情誼，他們一直互相關(guān)心，互相尊重。愛因斯坦本來早該獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但由于當(dāng)時(shí)有不少人對相對論持有偏見，直到1922年秋才回避相對論的爭論，授予他上年度諾貝爾物理獎(jiǎng)，并決定把本年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)授予玻爾。這兩項(xiàng)決定破例同時(shí)發(fā)表。愛因斯坦當(dāng)時(shí)正赴日本，在途經(jīng)上海時(shí)接到了授獎(jiǎng)通知。而玻爾對愛因斯坦長期未能獲得諾貝爾獎(jiǎng)深感不安，怕自己在愛因斯坦之前獲獎(jiǎng)。因此，當(dāng)玻爾得知這一消息后非常高興。立即寫信給旅途中的愛因斯坦。玻爾非常謙虛，他在信中表示，自己之所以能取得一些成績，是因?yàn)閻垡蛩固棺鞒隽说旎缘呢暙I(xiàn)。因此，愛因斯坦能在他之前獲得諾貝爾獎(jiǎng)，他覺得這是“莫大的幸?！?。愛因斯坦在接到玻爾的信后，當(dāng)即回了信。信中說：“我在日本啟程之前不久收到了您熱情的來信。我可以毫不夸張地說，它象諾貝爾獎(jiǎng)一樣，使我感到快樂。您擔(dān)心在我之前獲得這項(xiàng)獎(jiǎng)金。您的這種擔(dān)心我覺得特別可愛——它顯示了玻爾的本色?！?324《束星北檔案》讓我們有理由相信，我們匆匆踏過去的也許只是冰山一角。一部被我們認(rèn)為早已翻爛了的“歷史大書”，其實(shí)，還沒有真正打開……

束星北——一位被業(yè)內(nèi)人士稱為“中國的愛因斯坦”的國際級科學(xué)大師；一位曾經(jīng)培養(yǎng)啟蒙過像李政道、吳健雄等著名科學(xué)家的天才物理學(xué)家，多少年來卻從未被人提及。1972年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主李政道先生回國，黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人在人民大會(huì)堂會(huì)見了他。當(dāng)周恩來總理提出希望李政道能為解決中國教育人才“斷層”的問題做些工作，介紹一些海外有才學(xué)的人到中國講學(xué)時(shí)，李政道說：中國不乏解決“斷層”問題的人才和教師，只是他們沒有得到使用，比如我的老師束星北先生。這是一段塵封的歷史，這也是一曲悲愴的挽歌，這是一個(gè)天才物理學(xué)家命運(yùn)的紀(jì)實(shí)，這也是我國一代知識分子所經(jīng)歷的風(fēng)霜刀劍、血淚坎坷的縮影。被人們稱為“中國的愛因斯坦”的束星北曾是諾貝爾獎(jiǎng)得主李政道的啟蒙老師，也是堪稱世界級的科學(xué)大師，但由于歷史原因，這位科學(xué)大師卻不被大多數(shù)中國人所熟悉。該書作者的冷峻、客觀、幾乎不加任何評判的文字做向?qū)?，將束星北檔案從我們眼前一一翻過，具有震撼力?！爸袊走_(dá)之父”25“中國雷達(dá)之父”束星北：一個(gè)被歷史遺忘的天才物理學(xué)家

★《束星北檔案：一個(gè)天才物理學(xué)家的命運(yùn)》，劉海軍著，作家出版社，2005年1月第1版，定價(jià)：36元。

一本許多人都在談?wù)摰臅?。但不同的人?huì)從這本書中讀出不同的收獲。

束星北一生坎坷，郁郁不得志，卻被認(rèn)為是中國罕見的物理學(xué)奇才，這一結(jié)論，因兩類人的贊同而顯得十分可信。一類是他獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的弟子（如李政道），一類是出身、學(xué)識、資歷都與他不相上下又在中國取得崇高科學(xué)地位的人（如竺可楨、王淦昌）。如此一位物理學(xué)奇才，最終磋跎一生，當(dāng)然令人扼腕嘆息。本書用檔案連綴的形式，通過一段段敘述文字的“焊接”，揭示出歷次“政治運(yùn)動(dòng)”對科學(xué)家是如何進(jìn)行身心摧殘，以及中國的“國情”對一個(gè)正直但可能過分迂腐、過分端方的、恃才傲物的天才又是如何難以相容。但是，從另一個(gè)角度來說，“恃才傲物”終究不是一種應(yīng)該提倡的處世風(fēng)格。一位科學(xué)家，一位學(xué)者，乃至一位商人，一位官員，是否優(yōu)秀，還包括他是否能夠很好地協(xié)調(diào)人際關(guān)系，是否能夠了解人性和人情世故，從而將工作順利展開和推進(jìn)。因此，站在天才的領(lǐng)導(dǎo)和同事的立場上，固然應(yīng)該愛惜天才，寬容天才；但是站在天才的立場上，是不是也應(yīng)該注意尊重和照顧別人，盡可能考慮到人情之常呢？

所以，當(dāng)我們在為束星北扼腕嘆息的同時(shí)，試著想想，如果我身邊就有一位這樣的束星北，我能對他衷心愛惜、處處寬容嗎？我能和他心無芥蒂、和睦相處嗎？26父子諾貝爾俗話說，將門無犬子，大科學(xué)家的后代往往也會(huì)取得不亞于前輩的驕人成績。JJ湯姆遜的兒子GP湯姆遜推翻了老爸電子是粒子的觀點(diǎn)，證明電子的波動(dòng)性，同樣獲得諾貝爾獎(jiǎng)。這樣的世襲科學(xué)豪門，似乎還不是絕無僅有。居里夫人和她的丈夫皮埃爾居里于1903年分享諾貝爾獎(jiǎng)（居里夫人在1911又得了一個(gè)化學(xué)獎(jiǎng)）。他們的女兒約里奧居里（Irene

Joliot-Curie）也在1935年和她丈夫一起分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。居里夫人的另一個(gè)女婿，美國外交家Henry

R.

Labouisse，在1965年代表聯(lián)合國兒童基金會(huì)（UNICEF）獲得了諾貝爾和平獎(jiǎng)。1915年，William

Henry

Bragg和William

Lawrence

Bragg父子因?yàn)槔肵射線對晶體結(jié)構(gòu)做出了突出貢獻(xiàn)，分享了諾貝爾物理獎(jiǎng)金。我們大名鼎鼎的尼爾斯玻爾獲得了1922年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。他的小兒子，埃格玻爾（Aage

Bohr）于1975年在同樣的領(lǐng)域獲獎(jiǎng)?？柸啵↘arl

Siegbahn）和凱伊塞班（Kai

Siegbahn）父子分別于1924和1981年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。27E1E2E312.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

12.1.1玻爾假說玻爾假說：1）原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不吸收電磁輻射能。原子定態(tài)的能量只能采取某些分立的值E1、E2

、……

、En

，而不能采取其它值。2）只有當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，才發(fā)出和吸收電磁輻射。電磁輻射電磁輻射28玻爾頻率條件：式中h為普郎克常數(shù)：12.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

12.1.1玻爾假說29原子能級原子從高能級向低能級躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的發(fā)射過程；而從低能級向高能級躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的吸收過程；兩個(gè)相反的過程都滿足玻爾條件?；鶓B(tài)：能級中能量最低E1E2E3激發(fā)態(tài)12.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

12.1.1玻爾假說302.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

2.1.1粒子數(shù)正常分布(波爾茲曼分布律)波爾茲曼分布律：若原子處于熱平衡狀態(tài)，各能級上粒子數(shù)目的分布將服從一定的規(guī)律。設(shè)T為原子體系的熱平衡絕對溫度；Nn為在能級En上的粒子數(shù)則即隨著能級增高，能級上的粒子數(shù)Nn按指數(shù)規(guī)律減少，式中k為波爾茲曼常數(shù)。312.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

2.1.1粒子數(shù)正常分布(波爾茲曼分布律)

在熱平衡狀態(tài)中，高能級上的粒子數(shù)N2一定小于低能級上的粒子數(shù)N1，兩者的比例由體系的溫度決定。按這個(gè)正則分布規(guī)律：32波爾茲曼（奧地利1844～1906）

被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的奠基人，他發(fā)展了氣體力學(xué)理論）是偉大的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家，他對現(xiàn)代的統(tǒng)計(jì)物理理論做了奠基性的工作，其中包括了俺一直不太懂的H定理，和誰都不會(huì)精確算得波爾茲曼方程。不幸的是他一生在與自己的學(xué)術(shù)對手作斗爭，被迫不停的宣傳原子論，更不幸的是學(xué)術(shù)上的斗爭竟然引入了人身攻擊，攻擊他的人就包括愛因斯坦很很佩服的馬赫。

不幸的波爾茲曼最終死于自殺，更不幸的是他剛死，他的對手就都承認(rèn)了原子論。偉大的波爾茲曼生前很少有支持者，年輕的Planck（普朗克，馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希1858-1947德國物理學(xué)家，因其在有關(guān)量子理論方面的發(fā)現(xiàn)而獲1918年諾貝爾獎(jiǎng)）是這少數(shù)支持派的一員，但是可憐的Planck，波爾茲曼壓根看不起他，認(rèn)為Planck和自己不是一路。

這個(gè)故事告訴我們，一張厚臉皮和一顆麻木的心對于科學(xué)工作者是多么的重要。332.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

2.1.1粒子數(shù)正常分布(波爾茲曼分布律)在給定溫度下，E2-E1差值越大，N2比N1就相對地越小。如氫原子的第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的粒子數(shù)之比為e-400≈10-170?？梢娫跓崞胶鉅顟B(tài)下，氣體中幾乎全部原子處在基態(tài)。342.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

2.1.1粒子數(shù)正常分布(波爾茲曼分布律)熱平衡是物理系統(tǒng)的一種狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)長時(shí)間不受干擾時(shí)，它就會(huì)達(dá)到此狀態(tài)。宏觀上：“煩人”性質(zhì)穩(wěn)定，什么都不改變。微觀上：你擠我闖。分子速度1000英里/小時(shí)撞擊質(zhì)量極小35第二章激光與半導(dǎo)體光源2.1.1波爾假說與粒子數(shù)正常分布2.1.2自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收2.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大2.1.4激光器的基本結(jié)構(gòu)2.1.5激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)2.1.6諧振腔與閾值2.1.7激光的縱模和橫模 2.1.8幾種典型的激光器

362.1激光的基本原理、特性和應(yīng)用

2.1.2自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收

即使溫度比室溫高得多，熱平衡態(tài)中，空氣中大多數(shù)分子實(shí)際上處于低能態(tài)，即基態(tài)。只有一小部分氣體原子處在激發(fā)態(tài)。即使一個(gè)光子能從一個(gè)原子激發(fā)出另一個(gè)光子，這兩個(gè)光子最終還是被別的、處于基態(tài)的大量原子所吸收。熱平衡下，吸收過程壓倒激發(fā)過程，光的放大不可能發(fā)生。從這個(gè)基本事實(shí)看來，光放大器幾乎是不能實(shí)現(xiàn)的。37愛因斯坦

AlbertEinstein(1879-1955）20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。1879年3月14日愛因斯坦誕生于德國烏爾姆的一個(gè)猶太人家庭，受工程師叔父的影響，他從小受到自然科學(xué)和哲學(xué)的啟蒙。1896年愛因斯坦進(jìn)蘇黎世工業(yè)大學(xué)師范系學(xué)習(xí)物理學(xué)，1901年獲得瑞士國籍，于次年被伯爾尼瑞士專利局錄用為技術(shù)員，從事發(fā)明專利申請技術(shù)鑒定工作。他利用業(yè)余時(shí)間進(jìn)行科學(xué)研究，并于1905獲得了歷史性成就。1909年愛因斯坦離開瑞士專利局任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授，1912年任母校蘇黎世工業(yè)大學(xué)教授，1914年回德國任威廉皇帝物理學(xué)研究所所長兼柏林大學(xué)教授。法西斯政權(quán)建立后，愛因斯坦受到迫害，被迫離開德國。1933年移居美國任普林斯頓高級研究院教授，直至1945年退休．

愛因斯坦是人類歷史上最具創(chuàng)造性才智的人物之一。他一生中開創(chuàng)了物理學(xué)的四個(gè)領(lǐng)域：狹義相對論、廣義相對論、宇宙學(xué)和統(tǒng)一場論。他是量子理論的主要?jiǎng)?chuàng)建者之一，在分子運(yùn)動(dòng)論和量子統(tǒng)計(jì)理論等方面也做出了重大貢獻(xiàn)。38關(guān)于輻射的量子理論

愛因斯坦在玻爾工作的基礎(chǔ)上于1916年發(fā)表《關(guān)于輻射的量子理論》。該文提出了受激光輻射理論。而這正是激光理論的核心基礎(chǔ)。因此愛因斯坦被認(rèn)為是激光的理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦區(qū)分了三種過程：受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。

愛因斯坦的理論在當(dāng)初只是為了解決黑體輻射問題而提出的假設(shè)。但是幾十年后卻成了打開激光寶庫的金鑰匙。

392.1.2三種躍遷過程(自發(fā)輻射)E2E1

若原子處于高能級E2上，在停留一個(gè)極短的時(shí)間后就會(huì)自發(fā)地向低能級E1躍遷，如圖所示，并發(fā)射出一個(gè)能量為hv的光子。為描述這種自發(fā)躍遷過程引入自發(fā)輻射躍遷幾率A21，它的意義是在單位時(shí)間內(nèi)，E2能級上N2個(gè)粒子數(shù)中自發(fā)躍遷的粒子數(shù)與N2的比值。如果E2能級下只有E1能級，則在dt時(shí)間內(nèi)，由高能級E2自發(fā)輻射到低能級E1的粒子數(shù)記作dN21：402.1.2三種躍遷過程(自發(fā)輻射)A21——稱為愛因斯坦系數(shù)，它可以理解為每一個(gè)處于E2能級的粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。自發(fā)躍遷是一個(gè)只與原子特性有關(guān)而與外界激勵(lì)無關(guān)的過程，即A21只由原子本身性質(zhì)決定。假設(shè)E2能級只向E1能級躍遷，則412.1.2三種躍遷過程(自發(fā)輻射)式中N20為t＝0時(shí)刻E2能級上的粒子數(shù)，τ=1/A21τ反映粒子平均在E2能級上的壽命。由上式可知，自發(fā)躍遷過程使得高能級上的原子以指數(shù)規(guī)律衰減。42能級的壽命粒子在E2

能級上停留的平均時(shí)間稱為粒子在該能級上的平均壽命，簡稱壽命。上式表明，N2減少的快慢與A21有關(guān)。自發(fā)輻射系數(shù)A21愈大，自發(fā)輻射過程就愈快，經(jīng)過相同時(shí)間t后，留在E2上的粒子數(shù)N2就愈少。令τ=1/A21，

τ反映粒子平均在E2能級上的壽命。它恰好是E2上粒子數(shù)減少為初始時(shí)的1/e約（36%）所用的時(shí)間。43能級的壽命于是有由上式可以看出，自發(fā)輻射系數(shù)小，自發(fā)輻射的過程就慢，粒子在E2能級上的壽命就長，原子處在這種狀態(tài)就比較穩(wěn)定。壽命特別長的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。其壽命可達(dá)10-3~1s，而一般激發(fā)態(tài)壽命僅有10-8s。442.1.2三種躍遷過程(受激吸收)

當(dāng)外來輻射場作用于物質(zhì)時(shí)，假定輻射場中包含有頻率為v＝（E2-E1）/h的電磁波（即有能量恰好為hv＝

E2-E1

的光子），使在低能級E1上的粒子受到光子激發(fā)，可以躍遷到高能級E2去，這個(gè)過程稱為受激吸收。E2E1452.1.2三種躍遷過程(受激吸收)為描述這個(gè)過程，引進(jìn)愛因斯坦受激吸收系數(shù)B12。設(shè)輻射場中單色輻射能量密度為u(v)度，則在單位體積中，從能級E1

躍遷到E2

的粒子數(shù)為

B12

是一個(gè)原子能級系統(tǒng)的特征參數(shù)，每兩個(gè)能級間有一個(gè)確定的B12值。462.1.2三種躍遷過程(受激吸收)U12的物理意義是在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而從能級E1躍遷到E2上的粒子數(shù)與能級E1上的總粒子數(shù)之比，也可以理解為每一個(gè)處于能級E1的粒子，在u(v)的光照下，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收的幾率。因此，受激吸收的過程是一個(gè)既與原子性質(zhì)有關(guān)，也與外來輻射場的u(v)有關(guān)的過程。472.1.2三種躍遷過程(受激輻射)

當(dāng)外來輻射場作用于物質(zhì)時(shí)，在物質(zhì)內(nèi)部也可能發(fā)生與受激吸收相反的過程。愛因斯坦根據(jù)量子理論指出，當(dāng)輻射場照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處在高能級E2上時(shí)，這時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)十分重要的過程——受激輻射過程。如果外來光的頻率正好等于（E2-E1）/h

，由于受到入射光子的激發(fā)，

E2能級上的粒子會(huì)躍遷而回到E1能級上去，同時(shí)又放出一個(gè)光子來，這個(gè)光子的頻率、振動(dòng)方向、相位都與外來光子一致。這是一個(gè)十分重要的概念，它為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。E2E1482.1.2三種躍遷過程(受激輻射)

式中B21叫做愛因斯坦受激輻射系數(shù)，它是原子能級系統(tǒng)本身的特征參數(shù)；U21則表示在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激輻射而從高能級E2躍遷到E1的粒子數(shù)與E2能級總粒子數(shù)之比，也就是在E2能級上每一個(gè)粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射的幾率。492.1.2三種躍遷過程E2E1（a）自發(fā)輻射E2E1（c）受激輻射E2E1（b）受激吸收

由于原子在各能級上有一定的統(tǒng)計(jì)分布，所以在滿足上述頻率條件的外來光束照射下，兩能級間受激吸收和受激輻射這兩個(gè)相反的過程總是同時(shí)存在，相互競爭，其宏觀效果是二者之差。當(dāng)吸收過程比受激輻射過程強(qiáng)時(shí)，宏觀看來光強(qiáng)逐漸減弱；反之，當(dāng)吸收過程比受激輻射過程弱時(shí)，宏觀看來光強(qiáng)逐漸加強(qiáng)。50三種躍遷過程

(受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別)受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級向低能級躍遷并發(fā)射光子的過程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動(dòng)方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動(dòng)方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性。一般說在自發(fā)輻射過程中，總伴有受激輻射產(chǎn)生，輻射場越強(qiáng)，受激輻射也隨之增加，自發(fā)輻射光功率I自和受激輻射I受分別為在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射是很弱的，自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢，但在激光器中，情況發(fā)生很大變化，這時(shí)已不是熱平衡狀態(tài)，受激輻射的強(qiáng)度比自發(fā)輻射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級。512.1.2三種躍遷過程（愛因斯坦公式）考慮任意兩個(gè)能級E1、E2（E2＞E1

），設(shè)體系在任意時(shí)刻t處于這兩個(gè)能級的原子數(shù)分別為N1和N2，則單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生某種躍遷過程的原子數(shù)為對于受激輻射過程（E2→E1

）：對于受激吸收過程（E1→E2）：對于自發(fā)輻射過程（E2→E1

）：愛因斯坦系數(shù)輻射能密度的譜密度愛因斯坦系數(shù)愛因斯坦系數(shù)522.1.2三種躍遷過程E2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收E2E1受激輻射細(xì)致平衡53激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式普朗克黑體輻射公式玻爾頻率條件54激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式至此可以看出：A21、B12、B21三個(gè)愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，決不是相互孤立的；對一定原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù)A與受激輻射系數(shù)B之比正比于頻率υ的三次方，因而E1與E2能級差越大，υ就越高，A與B的比值也就越大，也就是說υ越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難，一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。

55激光與半導(dǎo)體光源2.1.1波爾假說與粒子數(shù)正常分布2.1.2自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收2.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大2.1.5激光器的基本結(jié)構(gòu)2.1.6激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系統(tǒng)2.1.7諧振腔與閾值2.1.8激光的縱模和橫模 2.1.9幾種典型的激光器

562.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大

當(dāng)一束頻率為v的光通過具有能級為E1E2的介質(zhì)時(shí)，將同時(shí)發(fā)生受激吸收和受激輻射過程，前一種過程使入射光減弱，后一種過程使入射光加強(qiáng)。若在單位時(shí)間dt內(nèi)，單位體積內(nèi)受激吸收的光子數(shù)為dN12，受激輻射的光子數(shù)為dN21

，則有572.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大（1）當(dāng)（N2/N1）＜1時(shí)，粒子數(shù)按波爾茲曼正則分布。此時(shí)有dN12＞dN21，宏觀效果表現(xiàn)為光被吸收。（2）當(dāng)（N2/N1）＞1時(shí)，高能級E2上的粒子數(shù)N2大于低能級E1上的粒子數(shù)N1，出現(xiàn)所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”情況。形成激光的必要條件。此時(shí)有dN21＞dN12，宏觀效果表現(xiàn)為光被放大，或稱光增益。能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。582.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大光被吸收（正常分布）E2E1E2E1光被放大（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）592.1.5激光器的基本結(jié)構(gòu)使入射光得到放大，是核心供給工作物質(zhì)能量光抽運(yùn)激光束工作介質(zhì)泵浦源只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。60最亮的光

激光以及它的微波兄弟（maser）來源于受激原子產(chǎn)生的光子（射線）受激輻射。愛因斯坦在1917年預(yù)言了該過程的存在。今天，激光奠定了很多消費(fèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)，包括指示器、水平儀和DVD播放機(jī)。1原子在一個(gè)兩端有鏡面的腔體中。原子被注入的能量充能。鏡面100％鏡面90％原子注入的能量61最亮的光2注入的能量激發(fā)原子，使它們處在高能態(tài)。一些原子會(huì)自發(fā)地放出一個(gè)光子從而回到原來的非激發(fā)態(tài)。受激原子自發(fā)輻射光子62最亮的光3自發(fā)輻射出的光子可以轟擊受激原子，激發(fā)該原子放出一個(gè)全同的光子。受激原子受激輻射63最亮的光4自這些光子又可以進(jìn)一步從其他受激原子激發(fā)輻射。當(dāng)原子回到原來狀態(tài)時(shí)，每一個(gè)原子都貢獻(xiàn)出一個(gè)全同的光子。64最亮的光5這些光子從鏡面反射回來，使它們可以激發(fā)其他原子放出光子。65最亮的光6一些光子從部分透射鏡面逸出，在腔外形成一束相干光。

激光66

光抽運(yùn)可以將粒子從低能級抽運(yùn)到高能級。在二能級系統(tǒng)中，由于發(fā)生受激吸收和受激輻射的幾率是相同的（B12=B21），最終只有達(dá)到兩個(gè)能級的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。2.1.6激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系數(shù)672.1.6激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系數(shù)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)68三能級系統(tǒng)原理

E1為基態(tài)，E2、E3為激發(fā)態(tài)，中間能級E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級的壽命很短，粒子通過碰撞很快地以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。69四能級系統(tǒng)原理

三能級激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵(lì)源很強(qiáng)而且抽運(yùn)很快，才可使N2

>N1

，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

四能級系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個(gè)激發(fā)態(tài)E2、E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@時(shí)低能級E1不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達(dá)到N2大于N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級E2、E1之間產(chǎn)生激光。于是，E3上的粒子數(shù)向E2躍遷，E1上的粒子數(shù)向E0過渡，整個(gè)過程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)，因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高。

70如果有一輛車，小明是司機(jī)，小華坐在他右邊，小花坐在他后面，請問，這輛車是誰的？

不論三能級系統(tǒng)或四能級系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須內(nèi)有亞穩(wěn)態(tài)，外有激勵(lì)源（泵浦），粒子的整個(gè)輸運(yùn)過程必定是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的非平衡過程。激活介質(zhì)的作用就是提供亞穩(wěn)態(tài)。所謂三能級或四能級圖，并不是激活介質(zhì)實(shí)際能級圖，它們只是對造成反轉(zhuǎn)分布的整個(gè)物理過程所作的抽象概括。實(shí)際能級圖要比這復(fù)雜，而且一種激活介質(zhì)內(nèi)部，可能同時(shí)存在幾對待定能級間反轉(zhuǎn)分布，相應(yīng)地發(fā)射幾種波長的激光。

712.1.6激活介質(zhì)的增益系數(shù)

增益G的大小與頻率γ和光強(qiáng)I都有關(guān)系。它隨光強(qiáng)的增加而下降。這一點(diǎn)可解釋為：增益G隨粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度（N2-N1）的增加而上升，在同樣的抽運(yùn)條件下，光強(qiáng)I越強(qiáng)，意味著單位時(shí)間內(nèi)從亞穩(wěn)態(tài)上向下躍遷的粒子數(shù)就越多，從而導(dǎo)致反轉(zhuǎn)程度減弱，因此增益也隨之下降。GI2I1增益曲線I2>I1722.1.7諧振與閾值

有了激活介質(zhì)和諧振腔還不一定能輸出激光，因?yàn)椋?/p>

激活介質(zhì)使光得到增益，光強(qiáng)變大；

光在端面上的反射、透射等，會(huì)產(chǎn)生光能損耗，使光能變小。

若光的增益小于其損耗，就沒有激光輸出。因此，必須使增益大于損耗，光在諧振腔內(nèi)來回反射時(shí)，其光強(qiáng)才能不斷增大，最后才有穩(wěn)定的激光輸出。

732.1.7諧振與閾值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分別為R1、R2，透射率分別為T1、T2

742.1.7諧振與閾值

要使光在這個(gè)過程中產(chǎn)生的增益大于其損耗，則必須保證：R2R1I1exp(2GL)≥I1,即

R2R1exp(2GL)≥1(2.15)

對于給定的諧振腔R1、R2，L是一定的。從上式可見，要使其左端大于或等于1，必須使增益系數(shù)G大于某個(gè)最低值Gm，這個(gè)使（2.15）式成立的Gm值，就是諧振腔的閾值增益。（2.15）式稱為諧振腔的閾值條件。

752.1.7諧振與閾值由此可得諧振腔的閾值增益為：

實(shí)際上，在G>Gm

時(shí)，隨著光強(qiáng)的增大，工作物質(zhì)的實(shí)際增益G將下降，直至G=Gm

時(shí)，光強(qiáng)就維持穩(wěn)定。

762.1.7諧振與閾值綜上所述，形成激光的必要條件有兩個(gè)：在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光器必須滿足閾值條件

772.1.8激光的縱模和橫模

諧振腔的作用：使激光具有很好的方向性（沿軸線）；使激光具有極好的單色性（頻率選擇器）；增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）。78縱模形成示意圖123792.1.8激光的縱模光波在兩個(gè)反射鏡之間來回反射，腔內(nèi)存在著反向傳播的兩列相干波，當(dāng)其波長滿足干涉相干條件時(shí)，就以駐波形式在腔內(nèi)穩(wěn)定存在。即

式中L為腔長，n為工作物質(zhì)的折射率。k為正整數(shù)，表示腔內(nèi)的波節(jié)數(shù)和波腹數(shù)。

上式說明，只有滿足這個(gè)頻率關(guān)系的光波，才能以駐波形式存在于諧振腔中。

802.1.8激光的縱模

一般地說，由于腔長L遠(yuǎn)大于λ，所以k的取值不只一個(gè)，因而滿足上述關(guān)系的頻率也不只一個(gè)。而那些不滿足這個(gè)頻率關(guān)系的光波，就不能形成駐波，即不能產(chǎn)生諧振，也就不能形成激光。從（2.18）式可見，腔長L起著對頻率的選擇作用。

812.1.8激光的縱模

分別對(2.17)式和(2.18)式微分，可得相鄰兩個(gè)諧振的波長差和頻率差。

822.1.8激光的縱模

諧振頻率是一系列分離的頻率，其間隔Δvk

稱為縱模間隔。但這只是諧振腔允許的頻率，其中只有落在激活介質(zhì)所發(fā)射的譜線的線寬范圍Δv

內(nèi)，并同時(shí)滿足閾值條件的那些諧振頻率，才能形成激光，成為縱模頻率。從激光器輸出的頻率個(gè)數(shù)N

(即縱模數(shù))，由激活介質(zhì)的頻寬Δv和縱模間隔Δvk的比值決定，即：

上式說明，激活介質(zhì)發(fā)射的譜線頻寬Δv

越大，可能出現(xiàn)的縱模數(shù)N越多；而縱模間隔Δvk

越小(即腔長L

越大)，在同樣的頻寬內(nèi)可容納的縱模數(shù)越多。832.1.8激光的縱模例：He-Ne激光器的氖放電管中，頻率為的譜線頻寬為若激光器腔長L=30cm，由(2.20)式可得其縱模頻率間隔所以長30cm的He-Ne激光管輸出的縱橫數(shù)為：

這種激光器稱為縱模(或多頻)激光器。若腔長L=10cm，則=1.5×109HZ，于是N=(1.5×109)/(1.5×109)=1，即在長10cm的He-Ne激光器中，雖然滿足諧振條件的頻率很多，但形成的激光只有一個(gè)頻率，這種激光器稱為單縱橫(或單頻)激光器。842.1.8激光的縱模設(shè)氦氖激光器Ne原子的0.6328mm受激輻射光的譜線寬度為⊿ν

852.1.8激光的縱模在⊿ν

區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為862.1.8激光的縱模

要想減少輸出縱模的個(gè)數(shù)，甚至實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，可采取一些措施。例如，短腔法選縱模。利用縮短腔長L

來加大縱模頻率間隔的方法，可以使區(qū)間中只存在一個(gè)縱模頻率。872.1.8激光的縱模和橫模激光的縱模：

光場沿軸向傳播的振動(dòng)模式稱為縱模。激光的橫模：激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場分布稱為激光的橫模。

激光橫模形成的主要因素是諧振腔兩端反射鏡的衍射作用。88橫模的形成L2a89激光橫模變換演示儀902.1.8激光的橫模用接收屏觀察激光器輸出光束屏上形成的光班圖形。圖2-9是激光的幾種橫模圖形，按其對稱性可分為軸對稱橫模圖2-9(a)和旋轉(zhuǎn)對稱橫模圖2-9(b)。

軸對稱

旋轉(zhuǎn)對稱(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM10912.1.8激光的橫模

激光的模式一般用TEMmnk表示，TEM是電磁橫波的縮寫，k為縱模數(shù)。在軸對稱橫模中，m,n分別表示光束橫截面內(nèi)在x方向和y方向出現(xiàn)的暗區(qū)（即節(jié)點(diǎn)）數(shù)，如TEM13，在x方向有1個(gè)暗區(qū)，在y方向有3個(gè)暗區(qū)；在旋轉(zhuǎn)對稱橫模中，m表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)，n表示圓中出現(xiàn)的暗直徑數(shù)。如TEM03，圖中無暗環(huán)，有三條暗直徑。922.1.8激光的縱模和橫模

激光的縱模和橫模，實(shí)際上是從不同的側(cè)面反映了諧振腔所允許的光場的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布。在實(shí)際應(yīng)用中，希望激光的橫向光強(qiáng)分布越均勻越好，而不希望出現(xiàn)高階模。欲獲得相干性良好的光束集中的激光，選模工作很重要。選模的方法很多，例如，除調(diào)節(jié)反射鏡外，在腔內(nèi)（或腔外）放一小孔，只讓TEM00模通過，抑制其他低次級模的產(chǎn)生。932.1.9幾種典型的激光器一種是從激活介質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)面分類。這樣可分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器。氣體激光器的單色性強(qiáng)，如氦-氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍，而且氣體激光器工作物質(zhì)種類繁多，因此可產(chǎn)生許多不同頻率的激光。但是，由于氣體密度低，激光輸出功率相應(yīng)較?。还腆w激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質(zhì)種類較少，而且單色性差；液體激光器的最大特點(diǎn)是激光的波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。這種激光器特別適合于對激光波長有著嚴(yán)格要求的場合；半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)則是體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差。

另一種分類方式是按激活介質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)來分類，可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦--氖激光器產(chǎn)生的激光是由氖原子發(fā)射的；紅寶石激光器產(chǎn)生的激光則是由鉻離子發(fā)射的；另外還有二氧化碳分子激光器，它的頻率可以連續(xù)變化。而且可以覆蓋很寬的頻率范圍。942.1.9幾種典型的激光器1、固體激光器（紅寶石激光器）

固體激光器一般采用光激勵(lì)源。工作物質(zhì)多為摻有雜質(zhì)元素的晶體或玻璃。最常見的固體激光器有紅寶石激光器、釹玻璃激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器等，固體激光器輸出能量高，小而堅(jiān)固，在激光加工、激光武器等方面有重要應(yīng)用。

能量高，輸出功率大，但工作物質(zhì)種類較少，而且單色性差。

95紅寶石激光器1960年梅曼研制成功世界上第一臺可實(shí)際應(yīng)用的紅寶石激光器

它標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生E1E2E396紅寶石激光器

紅寶石激光器為三能級系統(tǒng)激光器，如圖所示，激勵(lì)源脈沖氙燈閃光時(shí)，處于基態(tài)的Cr3+吸收光能躍遷到E3能級，這是光抽運(yùn)；處于E3能級的粒子壽命很短(約10-9s)，很快通過無輻射躍遷方式到達(dá)E2能級，粒子在E2能級的壽命很長，達(dá)3×10-3s，能夠在E2能級積累大量粒子，在E2和E1兩能級之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由E2能級向E1能級躍遷，產(chǎn)生受激輻射發(fā)出譜線。97

固體激光器的工作物質(zhì)能貯存較多的能量，比較容易獲得大能量、大功率的激光脈沖。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。但在效率和輸出激光的頻率穩(wěn)定性、相干性（相干長度僅為毫米數(shù)量級）方面都不如氣體激光器。

紅寶石激光器982、氣體激光器

氣體激光器是應(yīng)用最廣泛的一種激光器，氣體激光器一般采用電激勵(lì)源，常使用在連續(xù)工作方式上。常見的氣體激光器有氦－氖激光器，CO2激光器等。氣體激光器效率較高，能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作，常用于精密測量、全息照相等領(lǐng)域。99氦氖激光器的誕生兩塊平面鏡的取向調(diào)整，竟花費(fèi)了差不多6—8個(gè)月的時(shí)間。賈萬最初得到的激光束是紅外譜線1.15微米。氖有許多譜線，后來通用的是6328。為什么賈萬不選6328，反而選1.15微米呢？這也是賈萬高明的一著。他根據(jù)計(jì)算，了解到6328的增益比較低，所以寧可選更有把握的1.15微米。如果一上來就取紅線6328，肯定會(huì)落空的。賈萬和他的合作者在直徑1.5厘米，長80厘米的石英管兩端貼有蒸鍍13層介質(zhì)膜的鏡片，放在放電管中，用射頻振蕩器進(jìn)行激發(fā)。在1960年12月12日下午4點(diǎn)20分，終于獲得了紅外輻射。1962年，賈萬轉(zhuǎn)到麻省理工學(xué)院（MIT）任教。實(shí)驗(yàn)工作由他的同事懷特（A.D.White）和里頓（Rigden）繼續(xù)進(jìn)行。他們獲得了6328的激光束。這時(shí)激光器的調(diào)整已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。他們把反射鏡從放電管內(nèi)部移到外部，避免了復(fù)雜的工藝；窗口做成按布魯斯特角固定，再把反射鏡做成半徑相等的共焦凹面鏡。激光管的設(shè)計(jì)日臻完善。100氦氖激光器的電源101氦氖激光器氦氖激光器在兩方面有里程碑意義:一方面它第一次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性。固體激光器都是脈沖型的，不適于一般使用。連續(xù)激光束有很多好處，為應(yīng)用開辟了廣闊的道路。另一方面證明了可以用放電方法產(chǎn)生激光。只要在兩種不同的工作介質(zhì)中選定適當(dāng)?shù)哪芗墸陀锌赡軐?shí)現(xiàn)光的放大，為激光器的發(fā)展展示了多種渠道的可能性。102氦氖激光器103氦氖激光器

在放電中，被加速的電子撞擊氦原子，使其從基態(tài)11S0躍遷到激發(fā)態(tài)23S和21S這兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)上，這是光抽運(yùn)；氫的23S、21S亞穩(wěn)態(tài)能級與氖的2S和3S態(tài)能級相近，位于兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)上的氦原子很容易與基態(tài)氖原子相碰，放出能量返回基態(tài)，而將氖原子激發(fā)，即：He*+Ne→He+Ne*+△E

式中標(biāo)“*”號者，表示該原子處于激發(fā)態(tài)。若兩種氣體原子能量大致相同，相關(guān)值△E很小，就會(huì)因碰撞發(fā)生能量交換，這種過程稱為共振轉(zhuǎn)移。104氦氖激光器共振轉(zhuǎn)移的結(jié)果，使氖原子激發(fā)到2S、3S態(tài)上只要有少量粒子，就可以與低能級2P、3P態(tài)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。輻射產(chǎn)生的譜線分別是：3S→3P躍遷，發(fā)射λ=3.39μm譜線；3S→2P躍遷，發(fā)射λ=0.6328μm譜線；2S→2P躍遷，發(fā)射λ=1.15μm譜線。1053、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展及隨之而來的晶體管的發(fā)明，使科學(xué)家們早在50年代就設(shè)想發(fā)明半導(dǎo)體激光器，60年代早期，很多小組競相進(jìn)行這方面的研究。在理論分析方面，以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最為杰出。足夠可靠的半導(dǎo)體激光器則直到70年代中期才出現(xiàn)。半導(dǎo)體激光器體積非常小，最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴于激光材料，一般為0.6～1.55微米，由于多種應(yīng)用的需要，更短波長的器件在發(fā)展中。據(jù)報(bào)道，以Ⅱ～Ⅳ價(jià)元素的化合物，如ZnSe為工作物質(zhì)的激光器，低溫下已得到0.46微米的輸出，而波長0.50～0.51微米的室溫連續(xù)器件輸出功率已達(dá)10毫瓦以上。但迄今尚未實(shí)現(xiàn)商品化。光纖通信是半導(dǎo)體激光可預(yù)見的最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，一方面是世界范圍的遠(yuǎn)距離海底光纖通信，另一方面則是各種地區(qū)網(wǎng)。后者包括高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)、航空電子系統(tǒng)、衛(wèi)生通訊網(wǎng)、高清晰度閉路電視網(wǎng)等。但就目前而言，激光唱機(jī)是這類器件的最大市場。其他應(yīng)用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示，及各種醫(yī)療應(yīng)用等。

1063、半導(dǎo)體激光器

以半導(dǎo)體材料為工作介質(zhì)的，目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固，特別適用于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上使用。在通信、測距和雷達(dá)等應(yīng)用方面具有特殊的地位。1074、液體激光器(染料激光器)

液體激光器的工作物質(zhì)是一些有機(jī)染料溶液，如若丹明、香豆素、碳化青等，或是一些無機(jī)液體，如摻釹離子的三氯氧化磷等，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。液體中的能帶寬，發(fā)出的激光波長范圍寬達(dá)0.05μm。利用如圖所示的裝置，調(diào)節(jié)光柵衍射角，只使某一波長的光在諧振腔縱軸方向產(chǎn)生衍射極大形成光振蕩，并最后輸出，以獲得單一波長激光。因此，液體激光器輸出的波長連續(xù)可調(diào)的，其輸出功率較高且穩(wěn)定，制備簡單，價(jià)格便宜。

染料激光器108液體激光器109光纖激光器雙包層摻鐿光纖泵浦激光管組耦合器過渡光纖聚焦透鏡LD2LD1LD3LD組驅(qū)動(dòng)電源分束激光LD5LD4LD6LD組驅(qū)動(dòng)電源110光纖激光器111

概念I(lǐng)PG公司和SPI公司在目前光纖激光器整個(gè)國際市場的份額分別為IPG為50%，SPI為26%。也可以說這兩家公司在光纖激光器方面的技術(shù)代表了當(dāng)今世界光纖激光器的最新發(fā)展方向。我國已能制造百瓦級至千瓦級的光纖激光器，但光纖以進(jìn)口居多。國外已研制出萬瓦級的光纖激光器，國外采用光子晶體光纖和鎖相技術(shù)提高光束質(zhì)量。112IPG公司產(chǎn)品/xinwen/cw.htm113IPG公司產(chǎn)品114SPI公司產(chǎn)品(/)115北京光電所116任天堂DS掌上游戲機(jī)

DS是從15年前任天堂公司首次推出GameBoy以來，最具創(chuàng)造性的一款掌上游戲機(jī)，它將徹底改變我們在路上玩游戲的習(xí)慣。DS是英文DualScreen（雙屏）的縮寫，而增加的一塊3英寸觸摸屏能為游戲開發(fā)者帶來前所未有的創(chuàng)意空間，同時(shí)為玩家?guī)砀^癮的游戲享受。/64位畫面/4MB內(nèi)存/內(nèi)置802.11bWi-Fi無線網(wǎng)卡/150美元/117DELPHIXMSKYFI2衛(wèi)星廣播收音機(jī)

沒有聽清剛剛的天氣預(yù)報(bào)？不用等到下一次播報(bào)，只要按下SkyFi2衛(wèi)星廣播收音機(jī)的回放鍵就行了。該機(jī)帶有能存儲(chǔ)30分鐘內(nèi)容的緩存，可以隨意回放剛剛聽過的歌曲或是任何廣播節(jié)目，還能在接聽電話時(shí)暫停正在直播的節(jié)目。這款產(chǎn)品可以安裝在汽車上或者插在底座（售價(jià)70美元）中放在桌上使用，并且提供了一個(gè)用于向家庭影院或者音響無線發(fā)送信號的FM頻段廣播發(fā)送器。/130美元/

1182.1.10激光的特性及應(yīng)用

激光由于本身形成的特點(diǎn)，具有比普通光源更為優(yōu)良的性能。激光的特點(diǎn)可以歸結(jié)為三點(diǎn)：單色性方向性高強(qiáng)度本質(zhì)：高度的相干性119激光的特性（時(shí)間相干性與單色性）

時(shí)間相干性：在空間同一點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻（t1和t2）的光波場之間的相干性。

如果不同時(shí)刻發(fā)出的光波能夠在空間一點(diǎn)上發(fā)生干涉現(xiàn)象，則時(shí)間間隔處于|t2-t1|之內(nèi)的光波場都是明顯相干的。因此時(shí)間相干性就由相干時(shí)間來定量表述。相干時(shí)間與光譜的寬度有簡單的關(guān)系：

可見單色性越高（Δγ越?。?，相干時(shí)間越大（τ越大）。120激光的特性（時(shí)間相干性與單色性）

激光線寬很窄，即單色性很好。例如，一般的氦氖激光器頻寬約為Δγ=106Hz，穩(wěn)頻He-Ne激光器約為Δγ=104Hz

；其相干時(shí)間τ0分別為10-6S和10-4S，其單色性比普通光源高108～109

倍以上。激光的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得它在精密計(jì)量中有著十分重要的應(yīng)用。121激光的特性（時(shí)間相干性與方向性）邁克耳遜干涉儀SLM1M2G1觀察屏E122邁克爾遜（德國1852～1931）

同莫雷·愛德華一起證明以太這一假設(shè)的電磁波媒介的不存在，1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國芝加哥大學(xué)的邁克爾遜(AlbertAbrahamMichelson)，以表彰他對光學(xué)精密儀器及用之于光譜學(xué)與計(jì)量學(xué)研究所作的貢獻(xiàn)。

邁克爾遜是著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。他以精密測量光的速度和以空前的精確度進(jìn)行以太漂移實(shí)驗(yàn)而聞名于世。他發(fā)明的以他的名字命名的干涉儀至今還有廣泛應(yīng)用。123激光的特性（空間相干性與方向性）

空間相干性：同一時(shí)刻兩個(gè)空間不同點(diǎn)上的光波場之間的相干性。

空間相干性，嚴(yán)格說來是指垂直于光傳播方向的截面上的空間相干性，這種相干性是由相干面積來描述的。設(shè)光源的面積為ΔA，與光波傳播方向垂直且與光源相距為R的平面上的兩點(diǎn)，如果處在相干面積內(nèi)，則通過這兩點(diǎn)的光是相干的。相干面積大小約為：

可以看出光源面積越小，相干面積越大。124激光的特性（空間相干性與方向性）楊氏雙縫干涉是討論空間相干性的一個(gè)例子光源狹縫觀察屏ΔxΔθ125托馬斯·楊（英國1773～1829）

楊兩歲就學(xué)會(huì)了看書，十四歲時(shí)用拉丁文寫過一篇自傳楊出版的著作涉及的課題驚人地廣泛，有生理光學(xué)、虹的理論、流體動(dòng)力學(xué)、毛細(xì)作用、造船工程、用擺測量引力、潮汐理論等，這些只是他涉足的物理學(xué)課題中一個(gè)不完全的目錄。楊后來與《英國百科全書》合作，寫過許多條目，例如有字母表、年金、吸力、毛細(xì)作用、內(nèi)聚力、顏色、露、埃及、眼睛、焦點(diǎn)、摩擦、日月暈、象形文字、水力學(xué)、運(yùn)動(dòng)、阻力、船舶、聲音、強(qiáng)度、潮汐、波動(dòng)以及醫(yī)學(xué)方面的所有他寫過論文的課題。

托馬斯楊在物理學(xué)上最杰出的貢獻(xiàn)是在光學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域。在1973年發(fā)表的關(guān)于生理光學(xué)的論文《對視覺過程的觀察》中，他研究了眼睛對距離的調(diào)節(jié)問題，并證明眼睛適應(yīng)不同距離，是靠改變眼球水晶體的曲度來進(jìn)行的。1800年，在繼續(xù)進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)中，形成了他對光的本質(zhì)的看法，這一年他向皇家學(xué)會(huì)提出了《在聲和光方面的實(shí)驗(yàn)和問題》的報(bào)告。

126激光的特性（光子簡并度與強(qiáng)度）光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。光子簡并度是描述相干性的另一個(gè)參量。激光是具有很高的光子簡并度的光源，高簡并度是由光的受激發(fā)射過程引起的。在受到外來頻率的照射時(shí)，粒子從高能級躍遷到低能級且發(fā)射出與外來頻率相同的光子，不斷擴(kuò)大這個(gè)過程，就能得到非常高的簡并度。激光所發(fā)射出來的光子，不僅頻率一致，而且位相、振動(dòng)方向也完全一致。正是這種高度的一致，加上一定的措施，使激光在一個(gè)極窄的方向射出，從而得到極高的能量密度。127激光的特性（光子簡并度與強(qiáng)度）形成激光高亮度的原因：高簡并度。激光光束的立體角非常小（可達(dá)10-6數(shù)量級），而普通光源的立體角要比前者大百萬倍上下。激光常常以脈沖形式發(fā)射出來，因此激光能量是在極短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)出的（Δt）非常小。由于極高的光子簡并度，再加上激光能量在時(shí)間和空間上的高度集中，才使得激光具有普通光源所達(dá)不到的高亮度。128激光的應(yīng)用

激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、科學(xué)研究等每一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)各種激光器發(fā)射光的功率密度，相干性、準(zhǔn)直性、單色性的不同，應(yīng)用范圍也不同。例如，激光通迅、激光測距、激光定向、激光準(zhǔn)直、激光雷達(dá)、激光切削、激光手術(shù)、激光武器、激光顯微分析、激光受控?zé)岷朔磻?yīng)等，主要是利用激光的方向性與高功率密度；而激光全息、激光測長、激光干涉、激光多譜勒效應(yīng)則主要是利用激光的單向性和相干性。當(dāng)然，激光的幾方面的特性往往不能截然分開，有的應(yīng)用（如非線性光學(xué)）與激光的幾方面的特性都有關(guān)。下面就一些方面的應(yīng)用舉例介紹。129激光的應(yīng)用激光測距根據(jù)光束往返時(shí)間可以測定目標(biāo)的距離。然而普通光束的發(fā)散角較大，光強(qiáng)也比較小，距離大小，返回的光束十分微弱。巨脈沖紅寶石激光器可在20ns的時(shí)間內(nèi)發(fā)射4J的能量，脈沖功率達(dá)2×108W，而發(fā)散角經(jīng)透鏡進(jìn)一步會(huì)聚可小至5"。利用這一束定向的強(qiáng)光束已經(jīng)精確地測定了地球到月球之間的距離，在平均為4×105km的距離上測量誤差只有3m，這是以往其他方法無法實(shí)現(xiàn)的。130激光測距利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等等。在技術(shù)途徑上可分為:脈沖式激光測距連續(xù)波相位式激光測距131脈沖式激光測距脈沖式激光測距原理與雷達(dá)測距相似，測距儀向目標(biāo)發(fā)射激光信號，碰到目標(biāo)就要被反射回來，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號的往返時(shí)間，用光速（30萬千米/秒）乘以往返時(shí)間的二分之一，就是所要測量的距離?，F(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測距儀，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測量精度為五米左右。我國研制的對衛(wèi)星測距的高精度測距儀，測量精度可達(dá)到幾厘米。132連續(xù)波相位式激光測距連續(xù)波相位式激光測距是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射被測目標(biāo)，從測量光束往返中造成的相位變化，可換算出被測目標(biāo)的距離。為了確保測量精度，一般要在被測目標(biāo)上安裝激光反射器。它測量的相對誤差為百萬分之一。激光測距儀與微波雷達(dá)結(jié)合，還可以發(fā)揮激光波速窄的特長，彌補(bǔ)微波雷達(dá)低仰角工作時(shí)受地面干擾的不足。激光測距與光學(xué)經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，組成光電跟蹤測量系統(tǒng)，既可作為靶場試驗(yàn)的測量設(shè)備，又常用作武器的光電火力控制系統(tǒng)。這種激光測距儀已廣泛用于地面火炮、坦克炮的火控系統(tǒng)，大大提高了命中率。133連續(xù)波相位式激光測距原理134激光測距儀