广东工业大学：《大学物理》课程教学课件（讲稿）第六篇 近代物理基础 第17章 激光和固体的量子理论（激光的产生、激光的特性、激光的应用）

广东工业大学大学物理A教业第17章激光和固体的量子理论BuangdongUniversity otTechnology第六篇近代物理基础第18章激光和固体物理简介

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 第18章 激光和固体 物理简介 第六篇 近代物理基础

广东工业大学大学物理A教素第17章激光和固体的量子理论euanadongUniversityofTechnology(1)激光主要内容：激光的产生激光的特性激光的应用

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 激光(1) 激光的产生 主要内容： 激光的特性 激光的应用

广李工业大学大学物理A教第17章激光和固体的量子理论BuangdongUniversity otTechnology光S18. 1 激1960年T.H.MaimanREMEECTORS研制出第一台激光器T.H.Maiman1927-1961年中科院长春光机所由王大领导王之江、邓锡铭等人研制出第一台激光器王之江王大邓锡铭19301930 -1915--1997

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 §18.1 激 光 T.H. Maiman 1927- 1960年T.H. Maiman 研制出第一台激光器 1961年中科院 长春光机所由 王大珩领导， 王之江、邓锡 铭等人研制出 第一台激光器 王大珩 1915－ 王之江 1930－ 邓锡铭 1930 －1997

广李工業业大学大学物理A教素第17章激光和固体的量子理论uanadongUniversity ofTechnoloay激光原理Laser是以下几个字的字头缩写：LightAmplification by Stimulated Emission of radiation即：光受激幅射放大。或激光是受激幅射产生的，经放大后的光。何谓受激幅射？何谓光放大？

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 激光原理 Light Amplification by Stimulated Emission of radiation 即：光受激幅射放大。或激光是受激幅射产生 的，经放大后的光。 何谓受激幅射？何谓光放大？ Laser 是以下几个字的字头缩写：

广李工业大学大学物理A教素第17章激光和固体的量子理论uanadongUniversityofTechnology1．自发辐射和受激辐射(1)自发辐射原子在没有外界干预的情况下，电E子会由处于激发态的高能级E，自动跃hv迁到低能级E，这种跃迁称为自发跃E,迁。由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。自发辐射hv = E, - E所发光互相独立，频率、振动方。自发辐射的特点：J向和相位都不相同，是非相干光普通光源，如白炽灯、日光灯、高压水银灯等的发光过程属于自发辐射

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 1. 自发辐射和受激辐射 （1） 自发辐射 2 1 h E E  = − 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。 自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动方 向和相位都不相同, 是非相干光。 普通光源，如白炽灯、日光灯、高压水银灯等的发光过程 属于自发辐射。 E1 E2 h 自发辐射

广李工业大学大学物理A教第17章激光和固体的量子理论uangdongUniversity otTechnology（1917年爱因斯坦提出）(2)受激辐射原子中处于高能级E,的电子，在E外来光子，其频率恰好满足hyhv=E, -E的诱发下向低能级E，跃迁，并发出与E外来光子一样特征的光子，叫受激辐受激辐射射受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与外来光子具有完全相同的状态。（频率、振动方向、相位完全相同）受激辐射而得到的光是相干光

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 （2） 受激辐射 2 1 h E E  = − 原子中处于高能级E2的电子，在 外来光子，其频率恰好满足 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, 叫受激辐 射. （1917年爱因斯坦提出） 受激辐射的特点： 受激辐射产生的光子与外来光子具有完全相同的状态。 （频率、振动方向、相位完全相同） 受激辐射而得到的光是相干光 E1 E2 h 受激辐射

广东工业大学大学物理A教业第17章激光和固体的量子理论uanadongUniversity ofTechnology在受激幅射中，通过一个入射光子的作用，可以得到两个特征完全相同的光子。如果这两个光子再引起其它原子受激辐射，就能得到更多特征相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可以引起大量原子产生受激辐射，从而产生大量特征相同的光子，这种现象称为光放大(3)受激吸收原子吸收外来光子的能量hv且从低能级E，跃迁到高能级E，hvWE,E, -E, = hv受激吸收这个过程称为受激吸收或光吸收

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 （3） 受激吸收 E E h 2 1 − =  原子吸收外来光子的能量 ， 从低能级E1跃迁到高能级E2，且 这个过程称为受激吸收或光吸收。 h 在受激幅射中，通过一个入射光子的作用，可以得到两个特征 完全相同的光子。如果这两个光子再引起其它原子受激辐射， 就能得到更多特征相同的光子。这样，在一个入射光子的作用 下，可以引起大量原子产生受激辐射，从而产生大量特征相同 的光子，这种现象称为光放大。 E1 E2 h 受激吸收

广东工业大学大学物理A教素第17章激光和固体的量子理论uanadongUniversity ofTechnology2．产生激光的条件激光器的主要组成部分：（工作物质）有适当的能级结构能产生受激辐射光放大的工作（即有亚稳态能级结构）白物质（称为激光物质）有激励能源使激活物质发出激光的能源激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件有光学谐振腔维持光振荡的谐振腔谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 2. 产生激光的条件 ●（工作物质）有适当的能级结构 能产生受激辐射光放大（即有亚稳态能级结构）的工作 物质（称为激光物质） ●有激励能源 使激活物质发出激光的能源 激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并 维持粒子数反转创造条件 ●有光学谐振腔 维持光振荡的谐振腔 谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向， 从而使激光具有良好的方向性和相干性。 激光器的主要组成部分：

广东工业大学大学物理A教素第17章激光和固体的量子理论uanadona UniversityofTechnolog)产生激光的条件：（1）粒子数反转受激幅射是产生激光的基础，但能量为hV=E，一E的光子在物质中传播时，可能产生两种效果：一是引起受激幅射形成光放大：另也可能产生光吸收。光放大使光子数增多，光吸收会使光子数减少。哪个占优取决高低能级的原子数。显然，要形成激光，必须使受激辐射占优势。但通常情况下，处于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。为了实现光放大，只有通过外界能源（气体放电或光照射）的诱发，将低能级的原子激发到高能级上去，使某高能级上的原子数多于处于低能级上的原子数一一粒子数反转

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 产生激光的条件： （1）粒子数反转 受激幅射是产生激光的基础，但能量为 的光子 在物质中传播时，可能产生两种效果：一是引起受激幅射形成 光放大；另也可能产生光吸收。光放大使光子数增多，光吸收 会使光子数减少。哪个占优取决高低能级的原子数。显然，要 形成激光，必须使受激辐射占优势。 2 1 h E E  = − 但通常情况下，处于高能级的原子数总是少于低能级的原子 数。为了实现光放大，只有通过外界能源（气体放电或光照射） 的诱发，将低能级的原子激发到高能级上去，使某高能级上的 原子数多于处于低能级上的原子数 —— 粒子数反转

广李工业大学大学物理A教第17章激光和固体的量子理论uanadongUniversity ofTechnoloay粒子数反转是实现光放大的必要条件E粒子数反转EA如何实现粒子数反转？激励源；要有必要的能量输入系统激励J一一从外界输入能量（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）。要有能级合适的工作物质（气体、液体或固体）

第17章 激光和固体的量子理论 大学物理A教案 粒子数反转是实现光放大的必要条件 如何实现粒子数反转？ ① 要有必要的能量输入系统 —— 激励源； 激励 —— 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）。 ② 要有能级合适的工作物质（气体、液体或固体） E1 E2 粒子数反转 E1 E2