文档介绍：第七章激光科学技术
主要内容
第1节概述
第2节激光及其特性
第3节激光器
第4节激光的应用及其发展
第1节概述
激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为二十世纪最重要的四大发明。
40多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检测与计量技术,激光全息技术,激光雷达,激光制导,激光可控核聚变,激光武器等等。
1917 年,爱因斯坦提出了受激辐射理论。
强调光的物质性;用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性。
激光的基本原理
E1
E3
E2
按量子力学原理,原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中,原子能量的任何变化(吸收或辐射)都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中,存在三种类型的跃迁。即:受激吸收、自发辐射和受激辐射。
基态
激发态
能级
如图1-1所示,有一个原子开始时处于基态E1,若不存在任何外来影响,它将保持状态不变。如果有一个外来光子,能量为hv,与该原子发生相互作用。且,其中:E2为原子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子,而被激发到高能态去。这一过程被称之为受激吸收。值得注意的是,只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时,光子
才能被吸收。
受激吸收
E1
E3
E2
原子吸收示意图
hv
E1
E3
E2
——低能级到高能级吸收能量
处于激发态的原子,在其发生自发辐射前,若受到某一外来光子的作用,而且外来光子的能量恰好满足,
原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1,同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。
E1
E2
hv
E1
E2
hv
hv
受激辐射示意图
受激辐射
——受外来光子影响发生辐射
这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的,而且受激辐射出的光子,与入射光子具有相同的频率,相同的初相,相同的传播方向,相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中,输入一个光子,可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上,产生受激辐射,而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。这是激光器发明的理论基础,由爱因斯坦奠定。
受激辐射的特点
hv
hv
hv
hv
hv
hv
hv
输入
输出
光放大示意图
第2节激光及特性
“激光”是利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质,使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。
(LASER)——受激辐射的光放大,“镭射、莱塞”
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。