2010年新一期英国《自然—光子学》（Nature Photonics）杂志刊登报告说， 瑞士等国研究人员向空气中发射一种高能量短脉冲激光，它会使照射路径上的 氮气分子和氧气分子离子化。这些离子化的空气分子就成为天然的凝结核，促 使水蒸气凝结为水滴。
激光与生物医学
激光生物医学
临床治疗 医学测量和诊断 显微外科手术 激光多普勒流速计可以用 非接触地法测量血流速度；激 光流式细胞计技术能对大量细 胞的多项指标进行快速测定； 激光光谱分析法大大提高了分 辨率、灵敏度；激光全息、激 光透照等有独特的检查效果。 激光手术刀、治疗视网膜 裂孔、眼底病变、矫正屈光不 正，清除血管堵塞物，激光结 合光敏药物治疗恶性肿瘤，激 光美容等。
r1 r2
E
n= 布拉开系 帕邢系 巴耳末系
n=6 n=5 n=4 n=2
n=3 n = 3 n=2
赖曼系 原子的不同能态用一个个分立的能级表示
n=1
n=1
原子从一个定态跃迁到另一定态， 会发射或吸收一个光子，频率
En
| Ek En | h
辐射频率公式
Ek

每一个辐射光子称作一个波列
马氏体转变
激光气化应用
激光照射材料 材料熔化气化
材料反射与吸收
温度快速升高
激光烧蚀
材料去除
激光化学与立体光造型
《物理评论聚焦》2008年22卷8月1日
飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构
小零件
紫外光固化 快速成型 2010，获得国家科 技进步一等奖
激光等离子体应用－激光推进
运行中的光船。所见亮光是在飞 行器边缘下方燃烧的空气。 当激光器发射脉冲时，会不断加热空气 直至燃烧。空气燃烧会产生闪光
原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱——识别不同原子的标志 分子发射光谱 若干光谱带组成的带状光谱 分子能级结构非常复杂 分子的能量
E E e EV E R
能级间隔满足
分子光谱
E e EV E R
分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级 间的跃迁发出中红外辐射；而电子能级间的跃迁发出 可见光和紫外辐射。
每个波列持续时间约10-8s
原子或分子的发光过程是彼此独 立的、随机的 光源发出的连续光波实际上是大 量原子或分子发光的总效果。
波列长 L = c
相互独立的波列
注：
. .
原子发射光谱
非相干（不同原子发出的光） 非相干（同一原子先后发出的光）
发射光谱
铁和其他元素的原子发射光谱图（上为铁谱，下为其他元素光谱）
二、 激光器的三个基本组成部分：
工作介质、泵浦源、光学谐振腔
光束在谐振腔内来回震 荡，在工作物质中的传播 使光得以放大，并输出激 光。
泵浦源


全反射镜
光学谐振腔
激光
部分反射镜
使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、 其它频率的辐射受到抑制的装置
三、激光的应用举例
物理 光谱
相干控制 激光冷却 光学信 号处理 标准确定 时间同步
二、发光过程的类型
按照激发方式分类 热辐射 太阳、白炽灯等
电致发光 闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等 光致发光 日光灯、荧光、磷光等 化学发光 燃烧发光、生物发光等 按照辐射方式分类
自发辐射 受激吸收 受激辐射
§第二节 激光原理及其应用举例
激光的特点：

亮度高 单色性好 方向性好 相干性高
4
激发态 无辐射跃迁 E 亚稳态 泵 3 浦 E
基态
2
E!
四能级系统
实现粒子数反转! 必须采取特殊办法 非热平衡
He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现
21s
碰撞 电子 23s
亚稳态
3s 2s 3p 2p 碰撞
He
Ne
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与
Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和 激发态（3p、2p）之间形成反转分布。
一、激光原理 原子发光的三种跃迁过程(方式)
E2
h E! h
E2
h E!
E2
h h
E!
发光前
发光后
吸收前
吸收后
发光前
发光后
自发辐射
受激吸收
（原子的光激发）
受激辐射
（光放大）
受激辐射不仅实现了光放大， 而且产生的是相干光。
产生激光的基本条件
根据玻尔兹曼分布律,热平衡时 具有能量Ei的原子数
激光催化 化学
微量元 素检测
飞秒化学
激光 激光视 力测试
通讯技术 技术 材料加工
激光美容
激光手术 生命科 学
牙科应用
激 光 与 物 质 相 互 是作 激用 光 应 用 的 重 要 基 础 .
激光升温与表面相变硬化
激光照射材料
奥氏体转变
材料反射与吸收 快速冷却
温度快速升高
激光聚焦照射并摧毁活细胞体内 的某个区域；激光诱导细胞融合；激光 裁剪DNA生物大分子等。
激光与生物医学
激光美容
E2
N i Ae
N2 e N1
Ei / kT
E!
在能级E1和E2的原子数之比
E 2 E1 kT
在能级E1-E2的=1eV,T=300K, 则原子数之比约为10-40.
E2
h
● ●
●
N2 N1
E2 E1
● ● ● ● ●
h
●
N2 N1
E1
●● ●●● ●
●
●
N1 > N2 ,吸收为主
光与物质的相互作用
目录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 发光的物理机制 激光原理及其应用举例 光的吸收 吸收光谱 光的色射 光的散射
§第一节 发光的物理机制
一、发光的物理机制 发射光谱
光源 发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光源发出的光 是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出 的电磁波。 发光的物理机理 电子沿着一个个分立的轨道绕核 旋转，当电子在确定的轨道上运动 时，原子具有确定的能量。 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道， 原子或分子就从一个能态跃变到另一能 态，同时伴随着能量的变化。 电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。
N2 >N1 , 受激辐射为主
受激辐射、吸收几率与对应原子数成正比 热平衡时，高能级上原子数目极少, 吸收比受激辐射多
只有N2 >N1才能受激比吸收多，光放大 粒子数反转 实现粒子数反转! 必须采取特殊办法 非热平衡
三能级系统
E
3
激发态 无辐射跃迁 E 亚稳态 泵 2 浦
基态
非热平衡
E!
E
原子激发的几种基本方式： 1．气体放电激发 2．原子间碰撞激发 3．光激发(光泵)