文档介绍：1激光原理与技术1960年梅曼根据肖洛的受激辐射光量子放大理论研制出一台红宝石激光器,同年末研制出He-Ne气体激光器,1962年又公布了砷化镓半导体激光器运转的报导。我国于1961年研制成功红宝石激光器,1966年试制出Nd:YAG激光器。到70年代末,各种激光器都已发展到相当成熟,并得到应用。激光与普通光源不同之处在于它具有高的单色亮度,好的单色性和相干性及定向性。激光的出现推动了一些新学科的发展,比如薄膜光学、非线性光学、全息术等。50多年来,激光在工业加工、医疗诊断、印刷照排、计量检测等方面获得广泛用途。军事上,激光测距、激光制导、激光通信在战场上亦付诸使用,激光战术雷达已有成功报导,激光战术武器在不久的将来也将研制成功。第一专题激光的基本原理激光的产生涉及光与物质的相互作用,为了深入了解激光的产生机理,必须首先了解光辐射理论。处理光辐射问题,可以从光的波动理论说明也可以从光的量子理论解决光辐射的波动理论,在光学原理教程或物理光学中有详细的讲解,其理论体系是从麦克斯韦方程组引入磁矢势和电标势,从而推导出关于磁矢势和电标势的达朗伯方程。解方程发现如果运动的点电荷产生加速度便可产生辐射场。对于束缚电荷来说,可以认为负电子相对于正电荷产生振动,以平衡态为基准的电子振动必然产生加速度,同时可产生光辐射,这就是洛仑兹的辐射理论。辐射的量子理论是把电磁场的一个模式看成一个光量子,原子与光的相互作用看成是原子和一群光量子的相互作用,量子理论要用到量子力学和量子电动力学知识。在本讲义中介绍的激光理论,考虑光的本性时,认为具有波粒二象性,为了讨论方便,有时利用波动概念,引入频率和波长来描述,有时利用粒子概念,引入粒子能量和动量。§,从光的波动观点,其运动规律由麦克斯韦方程组来决定。当解方程时可得到很多特解,这些解的线性组合也满足麦克斯韦方程组。每一个特解,代表存在于此空间的一种电磁场分布,或者说是电磁场的一种本征振动状态,我们把每一种场的本征状态称为光的一种模式(mode)。光模式是具体的,一种光的模式就是麦克斯韦方程组的一个特解,代表着具有一定的偏振,一定的传播方向,特定的频率和固有持续时间的光波。光波模式是可以区分的,我们可以求出给定空间体积内可能存在的光模式数目,光模式数(modenumber)可以从传播方向,频率和偏振态来计算。也可以从光子的观点出发,用能量、动量和偏振态来区分。我们只从光的波动角度来分析。从传播方向来区分,由光的衍射来决定,对于平面波,若区分开两光束,在传播方向上必须至少相差一个平面衍射角,由物理光学中衍射理论可知,若衍射孔的大小为单位面积,则空间衍射角为2?的量级,?为光波波长。因此在空间?4立体角内,在单位体积中,在传播方向上可以分辨出24??个模式。下面再从频率方向来区分,对于频率不一定是整数,在频率v到vv??范围内,可以分辨的模式数由??1?v来决定,?为一个波列存在的时间,或称为相干时间。此式在量子力学中是由测不准关系决定的,在相干理论中,就表现为相干时间与频率的关系。设波列长度为l,光速为c,则cl??,2所以lcv??。两个光波的频率之差大于v?才能在测量中分辨出来,因此在v到vv??频率间隔v?内,可能有的模式为cvlvv????,若光波的波列为单位长度,则上式变为cv?,最后再考虑偏振态,我们知道,光有两种偏振态。对应两种偏振模式。把上面的讨论归纳起来,得到单位体积中在v到vv??频率间隔v?内,因传播方向、频率及偏振的不同,可能存在的光模式数为322824cvvcvg?????????()在体积V中,具有的光模式数为328cvVvgV???()§、自发辐射和受激辐射按照玻尔的原子模型,原子是由原子核和周围环绕的电子构成的,电子运动轨道是分立的,轨道半径仅能取下列分立值:222mehnn????()式中n称主量子数,只能取整数;h是普朗克常数;?是介电常数;m是电荷质量;e是电子电荷。电子在轨道上运动具有动能,同时在原子体系形成的静电场中具有势能,电子的动能和势能总和构成电子的总能量状态。因为电子的能量状态反应在原子体系中,电子轨道的分立性必然使原子的能量状态是不连续的,把原子的某一能量状态称为量子态,能量最低的量子态称为基态,能量高于基态的量子态称为激发态,每一个量子态都有固定的能量,称为能级。把所有量子态按能量大小画成比例图,称为能级图,任何原子的能级图都是由许多能级构成的。原子在不同量子态间变化称为跃迁,跃迁实际上是电子从一个运动轨道变换到另一运动轨道的结果,从而使原子的能量状态发生突变。如果原子能态的变化是从低能级跃迁到高能级,就表现为吸收,反之,原子的能态变化是从高的能量状态变成低的能量状态