南京邮电大学：《量子物理》课程教学资源（PPT课件）第十九章 量子物理（19.11）激光

19-11激光 第十九章量子物理 自发辐射受激辐射 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E2自动跃迁到低能级E1,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 2 h 自发辐 E2 h Ei Ei 射 发光前发光后

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 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 h E2 − E1  = . E1 E2 发光前 . 。 E2 E1 h 发光后 自 发 辐 射

19-11激光 第十九章量子物理 2光吸收 原子吸收外来光子能量hv,并从低能级E1跃迁 到高能级E2,且E2-E1=hv,这个过程称为光吸收 E2 2 Mhv Ei 吸收前 吸收后 受激吸收

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 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 h 吸收前 . E1 E2 受激吸收

19-11激光 第十九章量子物理 3受激辐射 原子中处于高能级E2的电子,会在外来光子(其频率 恰好满足hv=E2-E1)的诱发下向低能级E1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了的光是相干光称之为激光 √ Mhv √v Mhv I Mhv wW√N E √ 受激辐射的光 发光前发光后 放大示意图

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 3 受激辐射 由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光. 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 E1 E2 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

19-11激光 第十九章量子物理 激光原理 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布 E/kT N = Ce N1→>E1N2→>E2 NIN=e (E1-E2)/T 已知E2>E1 N1>N表明,处于低能级的电子数大于高能级的 电子数这种分布叫做粒子数的正常分布.N2>N1叫 做粒子数布居反转,简称粒子数反转或称布居反转 E →N E,--N E2>E1 E,>E1 E1 E1-。。0 粒子数的正常分布粒子数反转分布

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 二 激光原理 1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布 E kT i N C i / e − = N1 → E1 N2 → E2 E E kT N N ( )/ 1 2 1 2 / e − − = 表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的 电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 . 叫 做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转. N2  N1 N1  N2 已知 E2  E1 粒子数的正常分布 E1 E2 .... . 。。。。。。。。。。。。。 N1 N2 E2  E1 粒子数反转分布 E2 E1 ............. 。。。。。 N2 N1 E2  E1

19-11激光 第十九章量子物理 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 E 亚稳态 E E 基态 红宝石中铬离子能级示意图

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 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

19-11激光 第十九章量子物理 2光学诸振腔激光的形成 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 l=k MW· 激光光束 全反射镜 部分透光反射镜 光学谐振腔示意图

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 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 2  l = k . 激光光束 全反射镜 l 光学谐振腔示意图 部分透光反射镜

19-11激光 第十九章量子物理 激光器 1氦氖气体激光器 输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本 低等优点 氦 氖 亚稳态 632.8nm 部分反射镜全反射镜基态 氦氖激光器 氦和氖的原子能级示意图

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 三 激光器 1 氦氖气体激光器 氦氖激光器 部分反射镜 全反射镜 A K 输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本 低等优点． 氦和氖的原子能级示意图 基态 亚稳态 氦 氖 632.8nm 1 2 3

19-11激光 第十九章量子物理 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 发出的激光是脉冲激光,波长为6943nm 激光器发展的主要方面 脉冲灯 (1)扩展了激光 全反射镜 °U8 半的波长范围 红宝石棒 透射镜 (2)激光的功率 大大提高 (3)激光器已能 红宝石激光示意图实现小型化

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 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. （2）激光的功率 大大提高. （3）激光器已能 实现小型化

19-11激光 第十九章量子物理 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25km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

19 – 11 激 光 第十九章 量子物理 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 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. 激光的 单色性比普通光高 倍. 10 10