激光科学技术讲解VIP免费

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现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。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E1E3E2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。12EEhv受激吸收E1E3E2原子吸收示意图hvE1E3E2——低能级到高能级吸收能量与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv自发辐射示意图E1E3E2自发辐射——高能级到低能级放出能量自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波也是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。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。12EEhvE1E2hvE1E2hvhv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hvhvhvhvhvhvhv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”（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。激光的产生１．激光产生的物理过程：受激辐射而得到的加强光２．产生激光的困难：吸收大于辐射３．产生激光的办法：粒子数反转Lightorlaser无辐射跃迁亚稳态激光的特性1高亮度2高方向性3高单色性4好的相干性光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集...