第21章量子光学基出 §21.0引言 §21.1热辐射黑体辐射 §21.2普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 §21.3光的粒子性 §21.4康普顿散射 §21.5氢原子光谱 Bohr理论 §21.6光的辐射和吸收 §21.7激光
第 21 章 量子光学基础 §21.1 热辐射 黑体辐射 §21.2 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 §21.3 光的粒子性 §21.4 康普顿散射 §21.5 氢原子光谱 Bohr 理论 §21.6 光的辐射和吸收 §21.7 激光 §21.0 引言
§21.7激光 、激光概述 ·普通光源：蜡烛、太阳、白炽灯等。光是自发辐 射的 ·激光光源：如红宝石激光器。光是受激发而辐 射的-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-Laser ·激光的特点：方向性好（发散角~104rad); 单色性好（△2~108A);强度大（脉冲瞬时 功率可达~1014W)
• 普通光源：蜡烛、太阳、白炽灯等。光是自发辐 普通光源：蜡烛、太阳、白炽灯等。光是自发辐 射的 • 激光光源：如红宝石激光器。光是受激发而辐 激光光源：如红宝石激光器。光是受激发而辐 射 的 ——Light Amplification by Stimulated Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Emission of Radiation ——Laser § 21.7 激光 一、 激光概述 • 激光的特点：方向性好（发散角～ 激光的特点：方向性好（发散角～10-4 rad）； 单色性好（Δλ～10- 8 Å）；强度大（脉冲瞬时 强度大（脉冲瞬时 功率可达～1014 W）
·激光器的种类 固体（如红宝石A1,03)激光器 气体（如He-Ne,CO,)激光器 半导体激光器（激光二极管） 液体（如某些染料…)
• 激光器的种类 固体（如红宝石Al2O3）激光器 气体（如He-Ne，CO2）激光器 半导体激光器（激光二极管） 液体（如某些染料...... ）
二、激光器的工作原理 1.激光器的结构 以红宝石激光器为例 全反射面 透射率为10% 的反射面 -二二>澈光出 储能电容器 氙闪光灯 电能供应
1. 激光器的结构 以红宝石激光器为例 以红宝石激光器为例 二、激光器的工作原理 全反射面 透射率为10% 的反射面 氙闪光灯
一 台激光器主要由三部分组成：工作物质、光学谐振腔 和激励能源 光学谐振腔：两严格 平行的反射镜构成 工作物质 激光 全反射镜 激励能源 部分反射镜
一台激光器主要由三部分组成： 一台激光器主要由三部分组成：工作物质、光学谐振腔 工作物质、光学谐振腔 和激励能源 光学谐振腔：两严格 平行的反射镜构成 全反射镜 部分反射镜 激光 激励能源 工作物质
2.工作物质粒子数反转的实现 不同种类的激光器实现激活介质粒子数反转分 布方式不同。 对于He-Ne气体激光器主要是利用He原子的亚稳 态实现的（一般原子激发态的寿命为108s,但也 有些激发态的寿命长达103s甚至长达1s,称这种 长寿命的激发态为亚稳态)。 为简单，假设原子只有三个能级E、E,和E3, E,为亚稳态
2. 工作物质粒子数反转的实现 粒子数反转的实现 不同种类的激光器实现激活介质粒子数反转分 不同种类的激光器实现激活介质粒子数反转分 布方式不同。 对于He-Ne气体激光器主要是利用 气体激光器主要是利用He原子的亚稳 态实现的（一般原子激发态的寿命为 一般原子激发态的寿命为10-8 s，但也 有些激发态的寿命长达 有些激发态的寿命长达10-3 s甚至长达1s，称这种 长寿命的激发态为亚稳态）。 长寿命的激发态为亚稳态）。 为简单，假设原子只有三个能级 为简单，假设原子只有三个能级E1、E2和E3， E2为亚稳态
三能级模式 非弹性碰撞一 无辐射跃迁 E3(10-8s) E3 。E2 激励 运粒子 (103s) N2>N1 。。E E2 t。 E
三能级模式 抽 运 粒 子 E2 E3 E1 E2 E3 E1 (10-8s) E2 E3 E1 (10-3s) N2>N1 非弹性碰撞— 无辐射跃迁 激励 E2 E1 hν
实际工作物质原子能级结构要复杂得多，可能存在 几对能级之间的粒子数分布反转，相应有发射几种 波长的激光。例如，氦氖激光器可以发射0.6328 um,1.15um,3.39μm等波长的激光。 3.光学谐振腔(optical harmonic oscillator)的作用 (1)谐振腔的定向作用 若无谐振腔，激活介质初始 自发辐射的光是传播方向各 向同性的非相干光。 抑制了传播方向与轴线不 平行的光，放大了沿轴线 方向传播的光
实际工作物质原子能级结构要复杂得多，可能存在 实际工作物质原子能级结构要复杂得多，可能存在 几对能级之间的粒子数分布反转，相应有发射几种 几对能级之间的粒子数分布反转，相应有发射几种 波长的激光。例如，氦氖激光器可以发射 波长的激光。例如，氦氖激光器可以发射0.6328 μ m, 1.15 μ m, 3.39 μ m 等波长的激光。 等波长的激光。 3. 光学谐振腔(optical harmonic oscillator) (optical harmonic oscillator)的作用 若无谐振腔，激活介质初始 若无谐振腔，激活介质初始 自发辐射的光是传播方向各 自发辐射的光是传播方向各 向同性的非相干光。 向同性的非相干光。 抑制了传播方向与轴线不 抑制了传播方向与轴线不 平行的光，放大了沿轴线 平行的光，放大了沿轴线 方向传播的光。 方向传播的光。 (1) 谐振腔的定向作用 谐振腔的定向作用
(2)谐振腔的选频作用 I() 图示为氢氖激光器 Ne原子的0.6328um I(yo) 受激辐射光的谱线 自然展宽示意图， Kyo 2 自然宽度高达 △v≈1.3×109Hz 通过调节谐振腔的作用还可对沿轴向传 播的光进一步选频，只让某几种满足共 振条件的单色光得到放大，共振条件就 是如下驻波条件：
通过调节谐振腔的作用还可对沿轴向传 通过调节谐振腔的作用还可对沿轴向传 播的光进一步选频，只让某几种满足共 ，只让某几种满足共 振条件的单色光得到放大，共振条件就 振条件的单色光得到放大，共振条件就 是如下驻波条件： 是如下驻波条件： 图示为氦氖激光器 图示为氦氖激光器 Ne 原子的0.6328 μ m 受激辐射光的谱线 受激辐射光的谱线 自然展宽示意图， 自然展宽示意图， 自然宽度高达 Δ ν ≈1.3 ×109 Hz (2) 谐振腔的选频作用 谐振腔的选频作用
驻波条件 ---- k=1 nL k 2 k=2 (k=1,2,3,.) n一谐振腔内媒质的折射 率，几一真空中的波长。 =3 2nl = K 因此，在光学谐振腔内只有某些确定波长的光才能形 成稳定的驻波—波长与腔的纵向长度有关—这样 的每一个振动模式称为一个“纵模
驻波条件 2 k knL λ = ( k=1，2，3，…．) n —谐振腔内媒质的折射 谐振腔内媒质的折射 率，λk—真空中的波长。 真空中的波长。 L k=1 k=2 k=3 k nL k 2 λ = 因此，在光学谐振腔内只有某些确定波长的光才能形 因此，在光学谐振腔内只有某些确定波长的光才能形 成稳定的驻波——波长与腔的纵向长度有关 波长与腔的纵向长度有关——这样 的每一个振动模式称为一个 的每一个振动模式称为一个“纵模