《高职高专物理》第十二章（12.7）激光

第四次课:2学时 1题目:512-7激光 §12-8固体的能带 2目的: 1.了解激光原理及特点。 2.了解固体的能带理论。 、引入课题 二、讲授新课: §12-7激光 激光简介: 激光:( Laser)受激辐射发射的光 Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) 普通光源发光是自发辐射,激光光源发光是受激辐射。 激光的特点:单色性极好(△λ~10-埃) 方向性极好(发散角~10弧度) 强度极高(脉冲功率~10“瓦 激光的波长:极紫外一可见光一亚毫米 (100nm) (1.222mm 激光器的种类:按工作物质分(固体(如红宝石A12O3) 液体(如某些染料) 气体(如He-Ne,CO2) 半导体(如砷化镓GaAs) 按工作方式分「连续式(功率可达10W) 脉冲式(瞬时功率可达104W) 激光器的组成激励能源 含有亚稳态能级的工作物质

1 第四次课： 2 学时 1 题目： §12－7 激光 §12－8 固体的能带 2 目的： 1．了解激光原理及特点。 2．了解固体的能带理论。 一、引入课题： 二、讲授新课： §12－7 激光 一、激光简介： 激光：(Laser)受激辐射发射的光(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation)。 普通光源发光是自发辐射，激光光源发光是受激辐射。 激光的特点： 单色性极好(～10 - 8埃) 方向性极好(发散角～10 -4弧度) 强度极高(脉冲功率～10 14瓦) 激光的波长：极紫外─可见光─亚毫米 (100 n m) (1.222 m m ) 激光器的种类:按工作物质分 固体(如红宝石 Al2O3) 液体(如某些染料) 气体(如 He-Ne，CO2) 半导体(如砷化镓 GaAs) 按工作方式分 连续式(功率可达 104 W) 脉冲式(瞬时功率可达 1014 W ) 激光器的组成 激励能源 含有亚稳态能级的工作物质

光学谐振腔 、辐射跃迁 辐射跃迁有三种:自发辐射、受激辐射、吸收。 1粒子数按能级的统计分布 由大量原子组成的系统,在温度不太低的平衡态,原子数目按能级的分布服 从玻耳兹曼统计分 N(原子数) T=常量 两能级上的原子数目之比 若E>E1,则有 数量级估计: 若T~10K;则k7~1.38×10J~0.086eV,而E2-E~leV 但要产生激光必须M>M,称为粒子数反转分布。 2自发辐射( spontaneous radiation) 设原子的两个能级为E1和E2,并且E2>比E2N2 如果有能量为hv=E2-E hv 的光子照射时,原子就有可能吸收光子的能量, 从低能级跃迁到高能级的状态,原子吸收光子从 低能级跃迁到高能级的过程称为自发辐射。 El 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光 3能级寿命与亚稳态能级 1)能级寿命

2 光学谐振腔 二、辐射跃迁 辐射跃迁有三种：自发辐射、 受激辐射、吸收。 1 粒子数按能级的统计分布 由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服 从玻耳兹曼统计分 布： 两能级上的原子数目之比 若 E2 > E 1，则有 数量级估计： 若 T～103 K；则 kT～1.38×10-20 J ～0.086 eV，而 E 2- E 1～1eV 故 但要产生激光必须 N2 > N1，称为粒子数反转分布。 2 自发辐射(spontaneous radiation) 设原子的两个能级为 E1和 E2，并且 E2＞E1， 如果有能量为 hν＝E2－E1 的光子照射时，原子就有可能吸收光子的能量， 从低能级跃迁到高能级的状态，原子吸收光子从 低能级跃迁到高能级的过程称为自发辐射。 各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光 。 3 能级寿命与亚稳态能级 1)能级寿命 h E2 E1 N2 N1 T = 常量 o En E N(原子数) Nn En kT N e n   −    = 2 1 2 1 1 E E N kT e N   − −    =  2 1 1 2 0.086 1 1 E E N kT e e N   −   −    −     = =

E上的原子有的停留时间长,有的短,在E上原子寿命范围:从0→∞, 可以证明:原子能级的平均寿命和自发辐射系数成反比,即能级的自发辐射的概 率越大则寿命越短。 2)亚稳态能级 亚稳态:自发辐射几率很小、寿命很长的能级。 般,原子的能级寿命约为10~10S 如H原子2p态r~0.16×103S 3p态x~0.54×10S 亚稳态:如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV)r~10S (19.77eV) N2 4受激辐射( stimulated radiation) 处在高能级的原子在发生自发辐射之前, h 受能量为hy==B的光子的激发,有可能~~|A~ 从高能级的状态向低能级的状态跃迁,并向外 全同光子 辐射出一个同频率的光子,这种过程称为受激 辐射。 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相及传播方向均相同一具有光的 放大作用 2 5吸收( absorption) 上述外耒光也有可能被吸收,使原子 从低能级的E跃迁到高能级的E。 E1 三、激光原理 1粒子数反转( population inversion) 对激光器,必须使受激辐射占优势。但在外来光照射下可发生受激辐射和吸 收两个过程。欲使受激辐射时大于吸收,必须有A>M,称这种状态为粒子数反 转

3 E2上 的原子有的停留时间长，有的短，在 E2上原子寿命范围：从 0 → ， 可以证明：原子能级的平均寿命和自发辐射系数成反比，即能级的自发辐射的概 率越大则寿命越短。 2)亚稳态能级 亚稳态：自发辐射几率很小、寿命很长的能级。 一般，原子的能级寿命约为 10-8  10-9 S 如 H 原子 2p 态   0.1610-8 S 3p 态   0.5410-8 S 亚稳态：如 He 原子的两个亚稳态能级 (20.55eV)   10-4 S (19.77eV)   10-6 S 4 受激辐射(stimulated radiation) 处在高能级的原子在发生自发辐射之前， 受能量为 hν＝E2－E1 的光子的激发，有可能 从高能级的状态向低能级的状态跃迁，并向外 辐射出一个同频率的光子，这种过程称为受激 辐射。 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相及传播方向均相同—具有光的 放大 作用。 5 吸收(absorption) 上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从 低能级的 E1跃迁到高能级的 E2。 三、激光原理 1 粒子数反转(population inversion) 对激光器，必须使受激辐射占优势。但在外来光照射下可发生受激辐射和吸 收两个过程。欲使受激辐射时大于吸收，必须有 N2 > N1，称这种状态为粒子数反 转。 h E2 E1 N2 N1 全同光子 h h E2 E1 N2 N1

在外界激励能源的作用下,使粒子数的正常分布(M>M)转为反转分布 (A>M),相当于把能量储存在原子体系中。 粒子数反转是产生激光的必要条件。 2光放大作用 激光器内受激辐射光来回传播时,同时存在着光放大与光吸收、散射、衍射 透射等两种因素。将光的放大称为增益,光吸收等称为损耗。在激光形成阶段: 增益大于损耗,在激光稳定阶段:增益等于损耗。 3光学谐振腔的作用( optical harmonic oscillator) 激光器中两个反射镜之间的范围称作光学谐振腔。 「激励能源 R 激光输出 光学谐振腔 光学谐振腔的作用: 1)控制光束传播方向,使激光具有极好的方向性(沿轴线) 2)延长光在工作物质中的时间(增强光放大作用) 3)选频作用(使激光具有极好的单色性) l( 如:利用驻波频率间隔选频法 由于原子本身的性质以及原子运动的多普勒 谱线宽度 效应和原子间的碰撞,使得原子发出的谱线都不 是单色的,而是有一定的(甚至相当的)频率宽度, 称作谱线宽度。 例如:对Ne原子的A=6000A的谱线在P=300K时,由多普勒效应造成的频 率宽度即达△W=1370Mlz 利用驻波的概念,可在此谱线宽度内选出某些(某一)个所需要的频率。由于 光来回反射,在谐振腔内形成驻波,两反射镜处必是波节

4 在外界激励能源的作用下，使粒子数的正常分布(N1>N2)转为反转分布 (N2>N1)，相当于把能量储存在原子体系中。 粒子数反转是产生激光的必要条件。 2 光放大作用 激光器内受激辐射光来回传播时，同时存在着光放大与光吸收、散射、衍射、 透射等两种因素。将光的放大称为增益，光吸收等称为损耗。在激光形成阶段： 增益大于损耗，在激光稳定阶段：增益等于损耗。 3 光学谐振腔的作用(optical harmonic oscillator) 激光器中两个反射镜之间的范围称作光学谐振腔。 光学谐振腔的作用： 1）控制光束传播方向，使激光具有极好的方向性(沿轴线)。 2）延长光在工作物质中的时间(增强光放大作用)。 3）选频作用(使激光具有极好的单色性)。 如：利用驻波频率间隔选频法 由于原子本身的性质以及原子运动的多普勒 效应和原子间的碰撞，使得原子发出的谱线都不 是单色的，而是有一定的(甚至相当的)频率宽度， 称作谱线宽度。 例如：对 Ne 原子的 =6000 Å 的谱线在 T=300K 时，由多普勒效应造成的频 率宽度即达 D=1370 MHz。 利用驻波的概念，可在此谱线宽度内选出某些(某一)个所需要的频率。由于 光来回反射，在谐振腔内形成驻波，两反射镜处必是波节， I() I(0) 0   o 谱线宽度 R1 R2 激励能源  激光输出 光学谐振腔

光程 λ真空中的波长 可以存在的稳定驻波的频率 V= c/h=k(c/2nD 相邻两驻波频率的间隔为 K=1 △vk=2nlL 数量级估计: K=2 L~1m:m~1.0;c~3×10°m/ △v=c/2mL=3×103/2×1×1 1.5×10°Hz 而氦氖激光器0.6328μm谱线的宽度为 △v=1.3×103Hz=1300MHz 因此,在Δw区间中,可以存在的驻波频率个数为 △W/△v=1.3×10/1.5×10°≈8 由上式,若减小L,可增大Δv,就可以使Δ范围内驻波频率个数减少, 例如,若使管长L缩短到10cm,即→L/10 则Av→10△v在Δw区间中,可能存在的驻波频率个数为N≡1,于是就能获 得宽度非常窄的激光输出,极大地提高了0.6328μm谱线的单色性。 小结:产生激光的必要条件 (1)粒子数反转(有合适的亚稳态能级) (2)激励能源(使原子激发) (3)光学谐振腔(方向性,光放大,单色性)。 四、激光的特性和应用

5 光程 2 nL k    =     k——真空中的波长 可以存在的稳定驻波的频率 k = c/k = k(c/2nL) 相邻两驻波频率的间隔为 数量级估计： Ｌ～1m；n～1.0； c～3×108 ms k = c / 2nL = 3108 / 211 = 1.5108 Hz 而氦氖激光器 0.6328m 谱线的宽度为 D=1.3×109 Hz =1300 MHz 因此，在D区间中，可以存在的驻波频率个数为 N=D/k = 1.3109 /1.5108  8 由上式，若减小 L ，可增大 k，就可以使D范围内驻波频率个数减少， 例如，若使管长Ｌ缩短到 10 cm，即 Ｌ→L/10 则k→10 k，在D区间中，可能存在的驻波频率个数为 N  1 ，于是就能获 得宽度非常窄的激光输出，极大地提高了 0.6328m 谱线的单色性。 小结：产生激光的必要条件 (1)粒子数反转(有合适的亚稳态能级)； (2)激励能源(使原子激发)； (3)光学谐振腔(方向性，光放大，单色性)。 四、激光的特性和应用 K = 1 K = 2 K = 3 L 2 k c nL  = 