西南交通大学：《大学物理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五篇 量子现象和量子规律 第16章 场的量子性 §16.4 激光

第五篇量子现象和量子规律 第16章场的量子性 本章共3讲

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816.4激光 激光又名镭射( Laser,全名是“辐射的受激发射光放大” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 要点 1.什么是受激吸收、自发辐射 激辐射? 2.什么是粒子数反转?实现 粒子数反转的条件(内因、 外因)是什么? 3.激光器的基本组成部分及各部分的作用(特别 是光学谐振腔作用) 4.激光的特点及应用

§16.4 激 光 激光又名镭射 (Laser)，全名是“辐射的受激发射光放大” 。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 要点： 1. 什么是受激吸收、自发辐射、受 激辐射？ 2. 什么是粒子数反转？实现 粒子数反转的条件 （内因、 外因）是什么？ 3. 激光器的基本组成部分及各部分的作用（特别 是光学谐振腔作用） 4. 激光的特点及应用

、激光发展简史(物理一技术一物理) 1860 Maxwell建立光的电磁理论 1900 Planck提出能量子假说 1905 Einstein提出光量子理论 1917 Einstein提出受激辐射理论 1953 Towns建立第一台微波激射器( maser) 1958 Towns, Shallow开始研制激光器 1960 Maiman制成第一台红宝石激光器 激光光谱,用于大气污染分析;半导体激光器, 1961-65 用于激光通讯;cO2激光器,用于激光熔炼 激光切割、激光钻孔 1968-69 月球上设置激光反射器;地面与卫星联系 1982 激光全息术 80年代 激光外科手术,通讯、光盘、激光武器

一、激光发展简史 （物理—技术—物理） Towns建立第一台微波激射器（maser) 1900 Planck提出能量子假说 1905 1917 Einstein提出受激辐射理论 1953 1958 Towns,Shawlow开始研制激光器 1960 Maiman制成第一台红宝石激光器 1961-65 激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器， 用于激光通讯； CO2 激光器，用于激光熔炼、 激光切割、激光钻孔... 1968-69 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系 1982 激光全息术 80年代－ 激光外科手术，通讯、光盘、激光武器... Einstein提出光量子理论 1860 Maxwell 建立光的电磁理论

The Incredible Laser不可思议的 激光 肖洛激光枪打“老鼠”表演 请入内 参观令 人信服 的激光 FOR CREDIBLE ASERS SEE 肖洛实验室 勹]前的广告 汤斯和肖洛在一起,右 上角是最早的激光器

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二激光的基本原理—爱因斯坦辐射理论 Photon Energy photon Outgoing photor Absorption Spontaneous emission 受激吸收 自发辐射 Spontaneous f a photon V A Excitation Spontaneous Stimulated emission Q=0 受激辐射 受激吸收和自发辐射

二.激光的基本原理——爱因斯坦辐射理论 自发辐射 受激辐射 受激吸收 受激吸收和自发辐射

受激辐射 频率 相位 完全相同 偏振方向 Stimulated emission 传播方向 三种过程同时存在。 普通光源--自发辐射占优势 发光机制 激光光源--受激辐射占优势 在受激辐射占优势时,可以实现光放大

受激辐射 频率 相位 偏振方向 传播方向 完全相同 三种过程同时存在。 普通光源-----自发辐射占优势 激光光源-----受激辐射占优势 发光机制 在受激辐射占优势时，可以实现光放大

怎样才能使受激辐射占优势? N hv=△E hv=AE八 。 必须 dN 21 dN dt丿受激 dt丿受激 辐射 即:实现N2>N1(粒子数反转) 为什么称为“粒子数反转”?

为什么称为“粒子数反转”？ 怎样才能使受激辐射占优势？ 即：实现 N2 > N1（ 粒子数反转） 必须 吸 收 受 激 辐 射 受 激              t N t N d d d d 21 12  N2  N1 h = E N1 N2 h = E N1 N2

三.原子在能级上的分布 由大量原子组成的系统,在温度不太低的平衡态下 原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布 E n oce kT k:玻耳兹曼常数 E k=1.38×10-23J.K1 若E2>E1,则两能级上的 El E 原子数目之比N2=ckr<1 E

三. 原子在能级上的分布 由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态下， 原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布： kT E n n N e −  k：玻耳兹曼常数 23 -1 = 1 3810 J K − k . 若 E2 > E 1，则两能级上的 原子数目之比 1 2 1 1 2 =  − − kT E E e N N

数量级估计:以氢原子为例,室温(300K)下 kT~4x10-21J~0.025eV;E2-E1~10eV E,-E1 e kr 40<<1 粒子数反转分布: 高能级的原子数大于低能级的原子数。 B粒子数反转分布 是产生激光的必 -EI 要条件 (a)正常分布 (b)反转分布 能实现粒子数反转分布的介质激活介质

数量级估计： 以氢原子为例，室温（300K）下 kT～4×10-21 J ～ 0.025 eV; E 2 -E 1～10eV; 1 1 2 = =   − − − 400 2 1 e e N N kT E E 粒子数反转分布： 高能级的原子数大于低能级的原子数。 粒子数反转分布 是产生激光的必 要条件 正常分布 反转分布 能实现粒子数反转分布的介质——激活介质

如何实现粒子数反转分布? 四.激光器的基本结构和工作原理 激励能源 工作物质 激光束 光学谐振腔 1.激励能源: 功能:向工作物质提供能量,将工作物质的原子 分子从基态激发到高能态,实现粒子数反转分布 (外因) 气体放电激发 原子激发的几种基本方式了原子何碰幢激发 光激发(光泵

如何实现粒子数反转分布？ 四. 激光器的基本结构和工作原理 激励能源 工作物质 光学谐振腔 激光束 1. 激励能源： 功能：向工作物质提供能量，将工作物质的原子、 分子从基态激发到高能态，实现粒子数反转分布 （外因） 原子激发的几种基本方式 气体放电激发 原子间碰撞激发 光激发(光泵)