*16-9激光 物理学教程 (第二版) 自发辐射 受激辐射 1自发辐射 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激 发态的高能级E,自动跃迁到低能级E,,这种跃迁称 为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐 射 v=(E2-E)/h E2 E2 自发辐射 M-hv E时 E 发光前 发光后 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 . E1 E2 发光前 自 发 辐 射 一 自发辐射 受激辐射 1 自发辐射 原子在没有外界干预的情况下 , 电子会由处于激 发态的高能级 自动跃迁到低能级 , 这种跃迁称 为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐 射. E2 E1 = (E2 − E1 ) h . 。 E2 E1 h 发光后
*16-9激光 物理学教程 (第二版) > 自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动 方向和相位不一定相同，是非相干光 2光吸收 原子吸收外来光子能量hy,并从低能级E,跃迁 到高能级E,且E2-E=hv,这个过程称为光吸收、 E2 E2 受激吸收 w-hv E E 吸收前 吸收后 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 h 吸收前 . E1 E2 受 激 吸 收 2 光吸收 原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁 到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收. E2 E1 E − E = h 2 1 h 吸收后 。 . E2 E1 ➢ 自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动 方向和相位不一定相同, 是非相干光
*16-9激光 物理学教程 (第二版 31 受激辐射 原子中处于高能级E,的电子，会在外来光子（其频 率恰好满足hy=E2-E)的诱发下向低能级E,跃迁， 并发出与外来光子一样特征的光子，这叫受激辐射 由受激辐射得到的放大的光是相干光，称为激光， M v E E2 v M-hv A v A W M-hv M-hv A A M v E E A 受激辐射的光 发光前 发光后 放大示意图 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 3 受激辐射 由受激辐射得到的放大的光是相干光, 称为激光. 原子中处于高能级 的电子,会在外来光子（其频 率恰好满足 ）的诱发下向低能级 跃迁 , 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射. E2 E2 E1 E1 h = − . E1 E2 . E2 。 E1 发光前 发光后 h h h 受激辐射的光 放大示意图
*16-9激光 物理学教程 (第二版) 二 激光原理 1粒子数正常分布和粒子数布居反转（反转) 统计分布N,=CeE,/T N→E；N2→E2 N/N,=e(E-E2)ikT 己知E2>E N1>W2 N2>N E2一wW-N2 E2>E1 E2>E1 Eo8opao-N E1-o。n—N 粒子数的正常分布 粒子数反转分布 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 二 激光原理 1 粒子数正常分布和粒子数布居反转（反转） 1 1 2 2 N → E ; N → E E E kT N N ( )/ 1 2 1 2 / e − − = 已知 E2 E1 粒子数的正常分布 E1 E2 .... . 。。。。。。。。。。。。。 N1 N2 E2 E1 N1 N2 粒子数反转分布 E2 E1 ............... 。。。。。 N2 N1 E2 E1 N2 N1 E kT i N C i / e − 统计分布 =
*16-9激光 物理学教程 (第二版) 美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红 宝石固体激光器。 从外界输入能量（如光照，放电等），把低能 级上的原子激发到高能级上去，这个过程叫做激励 (也叫泵浦)· 激发态(10-8s) 亚稳态 E M (10-3s) E 基态 红宝石中铬离子能级示意图 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红 宝石固体激光器. 从外界输入能量（如光照, 放电等） , 把低能 级上的原子激发到高能级上去 , 这个过程叫做激励 （也叫泵浦）. 红宝石中铬离子能级示意图 . E1 E2 . 。 。 基态 亚稳态 激发态 E3 (10 s) −8 (10 s) −3
*16-9激光 物理学教程 (第二版) 2光学谐振腔激光的形成 光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振 腔内的光子数不断增加，从而获得很强的光，这种现象 叫做光振荡. 加强光须满足驻波条件 =k M W -M-M W w 5i W 激光光束 全反射镜 部分透光反射镜 光学谐振腔示意图 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 2 光学谐振腔 激光的形成 光在粒子数反转的工作物质中往返传播 , 使谐振 腔内的光子数不断增加 , 从而获得很强的光,这种现象 叫做光振荡 . . 激光光束 全反射镜 l 光 学 谐 振 腔 示 意 图 部分透光反射镜 加强光须满足驻波条件 2 l = k
*16-9激光 物理学教程 (第二版) 三 激光器 1氦氖气体激光器（输出功率不大） 优点：输出的激光单色性好、结构简单、使用方 便、成本低等.（波长632.8nm) (几千伏特) 氢 1 氖 亚稳态 632.8nm 部分反射镜 毛细管 全反射镜 基态 管内氦氖比例(5~10/1) 氦氖激光器 氦和氖的原子能级示意图 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 三 激光器 1 氦氖气体激光器 （输出功率不大） 优点：输出的激光单色性好、结构简单、使用方 便、成本低等．（波长 632.8nm） 氦和氖的原子能级示意图 基态 亚稳态 氦 氖 632.8nm 1 2 3 氦氖激光器 部分反射镜 A K （几千伏特） 毛细管 管内氦氖比例（5~10/1） 全反射镜
*16-9激光 物理学教程 (第二版) 2 红宝石激光器 红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它 发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm. 激光器发展的主要方面 1777777777777777777777777777 脉冲灯 (1)扩展了激光的 全反射镜 半 波长范围.（红外~紫外） (2)激光的功率大 红宝石棒 射 大提高。（连续功率达 22Z222222Z2Z2222Z2Z22222 ~10kW) (3)激光器已能实 红宝石激光示意图 现小型化. 第十六章量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 2 红宝石激光器 红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它 发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm. 。。 。 全 反 射 镜 半 透 射 镜 红宝石棒 。 脉冲灯 U0 U 红宝石激光示意图 激光器发展的主要方面 （1）扩展了激光的 波长范围.（红外~紫外） （2）激光的功率大 大提高.（连续功率达 ~10kW） （3）激光器已能实 现小型化
*16-9激光 物理学教程 (第二版) 四 激光器的特性和应用 1方向性好 利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差 不超过16nm. 2单色性好激光的单色性比普通光高100倍： 3能量集中 4相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射，发出的不是 相干光，激光的发光过程是受激辐射，它发出的光 是相干光. 笋十六音量子物理
物理学教程 （第二版） 第十六章 量子物理 * 16 – 9 激 光 四 激光器的特性和应用 1 方向性好 利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差 不超过16nm. 3 能量集中 4 相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射 , 发出的不是 相干光 , 激光的发光过程是受激辐射 , 它发出的光 是相干光. 2 单色性好 激光的 单色性比普通光高 倍. 10 10