2022-2023学年高二物理竞赛课件：激光

激光 1 激光(Laser) ——受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation） 世界上第一台激光器——红宝石激光器 T.H. Maiman，1960 2 ⒈激光的特性 ⑴方向性好——发散角：10-3~10-6 rad ⑵强度高—— 强度可达1017 W/cm2 (氧炔焰~103 W/cm2) 激光器输出功率：连续可达105W 脉冲可达1014W ⑶单色性好——：10-6~10-9 nm ⑷相干性好——是相干光  3 ⒉激光的应用 激光测距：月－地距离误差～几cm 激光加工：打孔、切割、焊接、表面处理 激光医疗：激光手术刀，视网膜焊接，角膜切割，肿瘤诊断（光动力学方法），创伤愈合，针灸、美容等 军事：激光制导，束能武器，激光致盲 信息技术：光通信，信息存储，全息照相 4 ⒊激光的产生 ⑴受激辐射 ①光的吸收： h ——原子吸收入射光子(h=Eh-El)，从低能态(El)跃迁到高能态(Eh). Eh El 5 ②自发辐射(spontaneous radiation)： h ——处于高能态(Eh) 的原子，在没有外界作用下，自发跃迁到低能态(El)，并发出一个光子(h=Eh-El) . Eh El 6 h h h ③受激辐射(stimulated radiation)： ——处于高能态(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的诱导作用，跃迁到低能态(El)， 并发出一个与入射光子的频率、相位、振动方向和传播方向都完全相同的光子. Eh El 7 ④光放大(light amplification)： ——若有一批原子处于高能态(Eh)，则 在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，会通过一系列受激辐射产生不断倍增的完全相同的光子. 8 ⑵粒子数反转 在平衡态下，处于不同能态的原子数 由Boltzmann分布律确定： e.g. He-Ne激光器：=632.8nm 平衡态下： 9 在入射光子(h=Eh-El)作用下，原子产生吸收(El Eh)的概率和产生受激辐射(Eh El)的概率相同，因此在正常情况下，吸收占优。 设法使 N(Eh)>N(El)，这种反常状态称为粒子数反转(population inversion)。 能实现粒子数反转的物质，称为激活介质(active medium)或工作物质。 10 激活介质的特点: 存在寿命较长(10-3~1s)的激发态——亚稳态 (metastable state)。 e.g. ①三能级系统 h 无辐射跃迁 E3 E1 E2 亚稳态 抽运 红宝石激光器： 11 ②四能级系统 h 无辐射跃迁 E3 E1 E2 亚稳态 E4 CO2激光器： 抽运 12 $