文档介绍：《激光原理》课程论文
浅谈激光构成及产生的基本原理
学校:天津工业大学
院系:理学院
专业班级:光信091
姓名:王林帅
学号:0910660116
简介
激光简介
激光是在 1960 年正式问世的,但是,激光的历史却已有 100 多年,远在 1893 年,在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出,两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点,但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917 年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念,奠定了激光的理论基础。
激光宏观特性简介
激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
亮度高——激光是当代最亮的光源,只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。但是,激光的总能量并不一定很大,由于激光能量高度集中,很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。
方向性好——普通光源向四面八方发光,而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度立体角内,这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。
单色性好——普通光源发出的光通常包含着各种波长,是各种颜色光的混合。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。由于激光的单色性好,为精密仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。
相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性,它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。
激光的以上四个特性使激光技术开始快速应用与科技、军事和社会发展的许多领域,激光技术彰显出其强大的生命力。
二、激光原理
激光产生的物质基础
光量子学说认为,光是一种以光速c运动的光子流,光子和其他基本粒子一样,具有能量、动量和质量。它的粒子属性和波动属性之间的关系如下:(1)光子能量E与光波频率对应E=h;(2)光子具有运动质量m,并可表示为,光子的静止质量为零;(3)光子的动量P与单色平面波的波矢对应 P=;(4)光子具有两种可能的独立偏振状态,对应于光波场的两个独立偏振方向;(5)光子具有自旋,并且自旋量子数为整数。
光与物质的共振相互作用,特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦从光量子概念出发,重新推导了黑体辐射的普朗克公式,认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题,我们只考虑原子的两个能级
和,处于两个能级的原子数密度分别为和,如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为,并有。
图2-1二能级原子能级图
激光产生的基本原理
光学谐振腔及其选模和反馈作用
由受激辐射和自发辐射相干性可知,相干辐射的光子简并度很大。根据黑体辐射源的光子简并度关系式:,在室温T=300K的情况下,对于=30cm的微波辐射,;对于的远红外辐射,;对于的可见光辐射,。可见,普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。应用黑体辐射的普朗克公式和爱因斯坦系数的基本关系式可改写为,由此式可以看出,如果能够创造这样一种情况:使得腔内某一特定模式的很大,而其他所有模式