激光原理及实际应用.ppt

1、1,2-2 激光原理及应用,2,普通光源,普通光源是光的自发辐射。特点：多波长、任意方向、不相干。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内.,3,激 光,激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。激光是光的受激辐射。激光的特点：单色性好,方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内.,4,激 光,辐射跃迁：受激吸收；自发辐射；受激辐射,5,激 光,粒子数反转,激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射！,6

2、,激光技术发展简史之一,理论基础：爱因斯坦的光子学说(1905)；波粒二象性(1909)辐射理论(1917)：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射放大。,Einstein,7,激光技术发展简史之一,理论基础： R.C.Tolman指出：具有粒子数反转的介质具有光学增益（产生激光的基本条件之一）（1924）。,Tolman,8,激光技术发展简史之一,实验基础：Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）,Townes,Prokhorov,9,激光技术发展简史之一,1958年Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长可比拟的

3、封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。,Schawlow,10,激光技术发展简史之一,美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。,Maiman,11,激光技术发展简史之一,Maiman的第一台激光器,12,中国第一台激光器（1961）,13,激光技术发展简史之二,各种激光器的开发:工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，X射线输出功率：大功率，低功率工作方式：短脉冲，脉冲，超

4、短脉冲，连续输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向,14,我国激光器研究情况,15,激光技术发展简史之三,激光应用技术信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等,16,光盘存储器原理激光刻蚀与读出,17,偏振光显微镜,18,激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）,19,激光控制核聚变,20,天文台（

5、激光导航星）,来自纳层的反射光（高度约100km),最大高度约35km,来自空气分子的Rayleigh光,21,激光测距与激光雷达,22,激光切割,23,长度测量,24,生物和医学应用,25,激光技术涉及的学科,物理（光学）精密加工（光学谐振腔的制作）光学加工（光学镀膜、光学装调）电子技术（激光电源、控制电路）应用技术基础（数学方法、误差理论）,26,1辐射理论概要与激光产生条件,1.1 光波、光子光的波粒二象性1.2 原子能级和辐射跃迁1.3 受激辐射1.4 光谱线增宽1.5 激光形成条件,27,光的波粒二象性,波动性：传播过程具有频率、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运

6、动质量,光波是电磁波振动的电场；振动的磁场,光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量,28,光的波粒二象性,光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光-偏振方向有时随时间变化,29,光速、频率和波长三者的关系,(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。,(2)光速,(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数,30,折射率始终大于1？,自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率近似等于1； 负折射率材料：当介电常数0，磁导率0时，折射率n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）,用复负折射率材料做增益介质？,31,单色平面波,(1) 平面波波阵面

7、或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透镜形成的光束可以看成平面波,(2) 单色平面波：具有单一频率的平面波,准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如 称为准单色波。,32,单色平面波,理想的单色平面波,单色平面波的复数表示,复振幅 : 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布,光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即,33,球面波,波阵面为一系列同心圆的波是球面波,球面简谐波方程：,球面波的复数表示法：,34,光 子,在真空中一个光子的

8、能量,光子的动量,式中h是普朗克常数，h=6.6310-34Js。,光子的具有运动质量,光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。,35,2 原子能级和辐射跃迁,为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复习原子能级的概念；为了知道在不同的能级上原子的数量，需要了解简并度的概念。,36,原子的能级,物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。,角动量L=rp,37,主量子数n，n1，2，3，大体上决定原子中电子的能量值不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数

9、l , l=0,1,2,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用s, p, d, f字母表示;磁量子数m=0，1，2， l. 决定轨道角动量在外磁场方向的分量;自旋量子数ms= 1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;,原子的能级,原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：,38,原子的能级,电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态,电子的能级，依次用E0，E1，E2， En表示； 基态：原子处于最低的能级状态； 激发态：能量高于基态的其它能级状态；,39,简并能级、简并度,简并能级：能级有两个或两个

10、以上的不同运动状态；简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。,氢原子1s,2p态的简并度,40,原子的电子组态,根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数n表示，称K、L、M层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,分别表示l=0,1,2,；,41,原子的电子组态,泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数 ；电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。,电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数n和l的竞争；

11、,只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。,42,波尔兹曼分布,现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：,式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度； ni表示处在Ei能级的原子数,分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系,热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数,43,辐射跃迁和非辐射跃迁,高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。发射吸收,