光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。
立体角定义：
S
E

r S
光源
I E
太阳
= S /r2
tS I 2103Wcm2sr 1
1mW He--Ne激光器 大功率激光器
I 88103Wcm2sr 1 I 109 1017Wcm2sr 1
与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。
受激辐射光子
特点： 受激辐射产生的光子与入射光子是完全相干的；
受激辐射中，光子成倍增长，产生了光放大。
激光的产生过程
激光是受激辐射的光，但实际中还存在自发辐射
和吸收， 且粒子数正常分布是：N exp(E / kT)
能 E4
N2 N1
一、激光的产生原理
1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射
1）受激吸收 （简称“吸收”）
E2 处在低能级E1的原子受到
h
等 于E2-E1的外来能量时，
吸收这一能量跃迁到高能级的
E1 过程。
2)自发辐射
处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界 的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并 且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过 程。
自发辐射的光是非相干光
E3
E2 E1
h E2 E1
2、受激发射和光的放大
受激辐射：（1917年爱因斯坦提出）
处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1 的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级 E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。
E2
E1 外来光子
第3章 半导体激光器材料
3.1 激光技术简介
激 光 ： Laser(light amplification by stimulated emission of radiation), 辐射的受激发射光放大。
主要内容： 1）激光的产生；
2）激光的特点； 引言：
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 有激光照相、激光美容等….。激光在军事上也有 广泛的应用。
exp{(E2
E1) / kT}
量 E3
粒子数反转状态
E2
E2
为E1了有效地产生激光，要改变E这1 种分布，形成粒子数反
转的状态。
3、粒子数反转：产生激光的必要条件
怎样才能实现粒子数反转呢？
粒子数反转状态
1）提供足够的能量；
E2
2）原子在激发态多“呆” 一会；
3）减小损失，不断放
E1
大。
2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便， 介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作 He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。 激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。 高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四 能级系统 3、 液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽 4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而 坚固
半反 射镜
工作原理：
激光工作物质
全
半
反
反
射
射
镜
镜
out 光放大原理
小结: 激光器的三个主要组成部分
1.工作物质： 有合适的能级结构
2.激励能源：
能实现粒子数反转 谐振腔
使原子激发 维持粒子数反转
3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和单色性
工作物质
激励系统
四、激光器的种类
1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
三、激光器的结构
1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反 转的气体、液体或固体
所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激 发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的 激发态寿命只有10-8秒）
能 量激
发
E3
亚稳态能级
E2 E1
产生激光的能级系统（例） （1）三能级系统 （2）四能级系统
1）光泵抽运 如红宝石激光器
粒子数反转状态
E2 E1
红宝石激光器的示意图
2）电子碰撞 如氩离子激光器
3）化学反应 如氟化氘激光器等。
--
4）共振转移
如He--Ne激光器 。 He
Ne He
-
-
- 电子 -
Ne
3、光学谐振腔
要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造：
全反 射镜
实物图
激光工作物质 原理图
五.激光的特性及应用
（一）、激光的主要特性
r 1、方向性好---激光的发散角小。 l
r =2~5mrad（毫弧度）
l (1km时光斑直径10m)
激光器
Laser
10-5mrad
D=1.6km
2 、亮度高、能量集中
P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍
3）单色性好 激光所包含的波长或频率范围极小
一束可普使通一的切红金光属熔化 频率范围：
E3 E2
h E2 E1
E1
三能级系统
红宝石激光器
E4 E3 h E3 E2 E2
E1
四能级系统
铷玻璃激光器
2、激励源：用来实现和维持粒子数反转。有电激 励，光激励，热激励，化学激励等
激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态 跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程（又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。
1987年6月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在上海光 （学精密）机（械研究）所研制成功
普罗霍罗夫
巴索夫 汤斯
1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的 麻省理工学院的汤斯（Charles H．Townes， 1915一），另一 半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫 （Nikolny G．Basov，1922一）和普罗霍罗夫（ Aleksandr M． Prokhorov， 1916－－），以表彰他们从事量子电子学 方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原 理制成的振荡器和放大器。
二、 激光简史和我国的激光技术
1917年，爱因斯坦提出受激辐射
1958年，汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》， 巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反 转和半导体激光器建议》
1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议
1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红 宝石激光器 1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物 理学奖 1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制 成功