2022-2023学年高二物理竞赛课件：激光的产生

激光的产生 自1960年美国人梅曼制造出第一台激光器以后，激光已得到了极广泛的应用,如激光开刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有光缆信息传输，热核反应的引发等….。 激光的产生 问题: 激光是怎样产生的？它有哪些特点？为什么有这些特点呢？下面将通过氦氖激光器加以说明。 一、激光的产生 激光:是受激幅射产生的，经放大后的光。 E2 E1 1、受激吸收 处在低能级E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射时，吸收这一光子跃迁到高能级的过程。 （1） 主量子数 ，它大体上决定原子 中电子的能量。 四个量子数：描述原子中电子的量子态。 （2） 轨道量子数（角量子数） 它决定电子绕核运动的角动量的大小，影响原子在外磁场中的能量。一般来说，处于同一主量子数n，而不同角量子数 的状态中的电子，其能量也稍有不同。 （3） 磁量子数 决定电子绕核运动的角动量在外磁场中的（2l+1）种空间指向。影响原子在外磁场中的能量。 （4） 自旋磁量子数 决定电子自旋角动量在外磁场中的两种指向，也影响原子在外磁场中的能量。 （5） 总角动量合成 l = 0, j = s =1/2 l 不= 0, j = l  s = l  1/2 泡利不相容原理 四个量子数决定一个 量子态： n, l, ml , ms . 能量最小原理： 原子处于正常状态时，其中电子都要占据最低能级。 基态原子的电子排布由以下两个原理决定： 一个量子态质能容纳一个电子 基态原子填充情况 状态数=电子数 2、自发辐射 处在高能级E2的原子，即使没有任何外界激励，也能自发跃迁到低能级E1，并且发射一个能量h=E2-E1的光子。 E2 E1 3、受激辐射： E2 E1 入射光子能量h等于相应能级差E2-E1时。入射光子的电磁场就会引发原子从高能级E2跃迁到低能级E1，同时放出一个与入射光子频率、相位、偏振方向都相同的光子。 相干光 激发 碰撞 He Ne E/eV  2s 1s 5s 3p 2p 氦氖能级示意图 0 16 17 18 19 20 21 受激辐射 0.6328ｍ 粒子数布居反转 1.电子碰撞,He被激发到2s亚稳态能级,难于跃迁到基态。 2.Ne的5s与He的2s能级相近,经碰撞,He把能量传递给Ne而回到基态,Ne被激发到5s能级。 3.要产生激光,除了增加上能级的粒子数外,还要设法减少下能级粒子数。Ne的5s是亚稳态,下能级3p的寿命比上能级5s要短得多,这就可以形成粒子数的反转。 激光发射器---氦氖红光 氩离子激光器 3、方向性极强: 可直接作相干光源。 时间、空间相干性好, 1、相干性极好： 4、亮度极高 投射到月球(38万公里)光斑直径仅约2公里, Laser 激光器 2 10mW的功率He-Ne激光器竟产生了比太阳大几千倍的辐射亮度 2、单色性好： ,而普通光源仅有10-5。 发散角～10 -4弧度 实验装置示意图 3.激光的应用---光纤通信 光纤的应用：胃镜、光纤通信 光导纤维 $