2022-2023学年高二物理竞赛课件：激光原理

激光原理 激光原理 自从美国人梅曼制造出第一台激光 器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开 刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还 有激光照排、激光美容等….。激光首先是应用在 军事上。现代战争离不开激光。 引言： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光Laser——受激辐射光放大 1、受激吸收 （共振吸收, 光的吸收） 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E2的过程。 E2 E1 h n1 —— t时刻处于能级E1上的原子数密度为 ——单位时间内由于吸收光子从低能级E1 跃迁到高能级E2的原子数密度 受激辐射和受激吸收 粒子数反转分布 激光是受激幅射的光，但还存在自发幅射和吸收， 要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大 根据玻尔兹曼能量分布律 热动平衡下， N2<<N1，即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布 受激辐射占支配地位粒子数反转 高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数 粒子数正常分布是： 为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成 粒子数反转的状态。 E1 E2 E3 E4 能 量 N1 N2 粒子数反转状态 E1 E2 N1 N2 实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有 适当的能级结构； 必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。（激励或泵浦） 激励方法：光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长) 只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转 工作跃迁 Å 电子碰撞 碰撞转移 He、Ne原子部分能级图 光学谐振腔 输出 全反射镜 （100%反射镜） 部分透光反射镜 （98%反射） 光学谐振腔 激发态原子 基态 受激辐射 自发辐射 实现粒子数反转分布的激活介质 辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。 在谐振腔中,光信号能多次反复地沿着腔轴的方向通过工作物质,不断获得光放大,信号越来越强,达到饱和, 形成激光输出。 (2)改善方向性。 光学谐振腔的作用有三： 全反射 反射99% . . . . . . . . 输出激光束 凡是传播方向偏离腔轴方向的光子,很快逸出腔外被淘汰,只有沿着腔轴方向传播的光子才能在管中不断地往返运行而得到光放大,所以输出激光具有很好的方向性。 (1)产生和维持光放大。 (3)提高单色性。 激光在谐振腔中来回反射，相干叠加，形成以反射镜为波节的驻波。 只有满足上式波长的光才可能在腔内形成稳定的振荡而不断得到加强，其它波长的光很快就会衰减而淘汰。谐振腔的这种选频作用，极大地提高了输出激光的单色性。 k =1,2,... 或频率 k=1 k=2 k=3 . . . . . . . . L 由于两端为波节, 所以腔长： 工作物质：具有亚稳态能级结构 光学谐振腔：维持光振荡 激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光 激光器 He-Ne 气体激光器 $