3.受激辐射
若入射光子的能量h 等于原子高、低能级的能量差E2 E1
且高能级上有原子存在时
E2
●
N2
h
E1
●
N1
入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级 同时，放出一个与入射光子完全相同的光子
全同光子:频率 相位 振动方向 传播方向 相同
单位时间内从E2 E1的受激辐射的原子数为
E2
d N 21 B21v N2 d t
2、按工作方式分： 连续式 脉冲式
3、按波长分： 极紫外──可见光──红外/远红外
六、应用
★ 军事：激光制导、激光武器 ★ 加工：光刻、焊接、切割、打孔、雕刻 ★ 医疗：美容、手术 ★ 核技术：核聚变点火 ★ 生活：光纤通讯、激光笔、光盘存储 ★ 科技：光源、激光冷却、全息、激光光解
激光核聚变
这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生 核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
4.相干性好
由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好 的时间相干性和空间相干性。
特制的氦 氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。 氪灯只有38.5cm。
五、激光器种类：
1、按工作物质分： 固体（如红宝石Al2O3:Cr，YAG:Nd) 液体（如染料激光器） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓、GaAs、InGaN）
1 P1 P3
0,1,2
1 P1 P3
0,1,2
2 p53p
自发辐射
3 P2 3 S1
1 S01P11D2
3
S1
P3 0,1,2
D 3 0,1,2
管壁效应 电子碰撞激发
1s1s1S0 He
2 p6
Ne
氖原子 在 2 p55s
间2 p5 3 p
实现粒子数反转
四、激光的特点
1.方向性极好
激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级 普通光源发出的光辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。 激光束是高度平行的光束。
2.单色性好
Δ
小到10 - 15
3. 强度极高
激光器能产生宽度极窄的光脉冲， 使用调Q技术的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用 锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。 由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。
聚焦状态可达到
I 1017 W/cm2
脉冲瞬时功率可达～10 14 W 可产生108K的高温 引起核聚变
v
8 h 3
c3
1 ehv / kT
1
普朗克黑体辐射公式
二、粒子数反转
1. 为何要粒子数反转
由大量原子组成的系统, 在平衡态, 原子数目按能级的分布服从 玻耳兹 曼统计分布
En
Nn
N2
N1
En
Nn e kT
N2 < N1
• 能量为 E2 E1 的入射光可引起两种过程
受激辐射 受激吸收
d N 21 B21v N2 d t d N 12 B12v N1 d t
世界上第一台激光器诞生于1960年，红宝石激光器 中国1961年 基本原理是基于1917年爱因斯坦提出的受激辐射理论
一、原子的激发和辐射
1. 自发辐射
原子处于激发态是不稳定的 会自发跃迁到低能级 同时放出一个光子 这个过程叫自发辐射
E2
N2
h
E1
N1
设 N1 、N2 为处于E1 、E2能级的原子数
要产生光放大必须 d N21 d N12
因为 B21=B12 必须 N2 > N1 —— 粒子数布居反转
2. 实现粒子数反转的必备条件
1) 依靠泵浦源激发原子
粒子数反转态是非热平衡态 为了促使粒子数反转的出现 必须用一定的手段去激发原子体系
这称为“泵浦”或“抽运” 激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等
2) 合适能级分布的工作物质
•有三能级或三能级以上的能级系统 E3 •上能级应为“亚稳态”
激发态
E2
亚稳态
（自发辐射系数小）
E1
基态
红宝石中铬离子能级示意图
•下能级不应是基态 而且对下下能级的自发辐射要大
三、光学谐振腔
为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过工作物质 实现这一目的的装置是光学谐振腔 在激活物质两侧配置两个反射镜，就构成了一个“光学谐振腔”
第1讲:激光的产生基本原理
沈阳工业大学理学院 杨玉东
§1.1 激光原理简介
一、原子的激发和辐射 二、粒子数反转 三、光学谐振腔 四、激光的特点 五、激光器种类 六、应用
Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光：受激辐射的光放大
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
例： He — Ne 气体激光器的工作原理
He是辅助物质 Ne是工作物质 He与 Ne之比为5∶1 10∶1
氦氖气体激光器是四能级系统
1s2s1S0 1s 2 s 3S1
共 2 p55s
振
传 递
2 p5 4s
2 p53s
E2
●
h
N2
E1
●
N1
设 N1 、N2 分别为处于E1 、E2能级的原子数
则单位时间内因吸收光子而从 E1E2
的原子数为
E2
●
N2
h
d N 12 B12v N1 d t
E1
●
N1
B12 ---- 吸收系数
是频率 = (E2 – E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度
B12 ---单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率
E1
●
N2
h
●
N1
B21--- 受激辐射系数
是频率 = (E2 – E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度
B21 ---单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率
A21 、B21 、B12 统称为爱因斯坦系数 1917年，爱因斯坦从理论上得出：
B21 = B12
A21
8 h 3
c3
B12
则在单位时间内从E2 E1自发辐射的原 子数为
d N21 A21N2 d t
E2
N2
h
E1பைடு நூலகம்
N1
Ａ21 自发辐射系数
---- 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率
2. 受激吸收
若原子处在某个能量为E1的低能级 另有某个能量为E2的高能级
当入射光子的能量h 等于E2 E1时
原子就可能吸收光子 而从低能级跃迁到高能级 这个过程叫受激吸收
激光
全反射镜
激励能源
部分反射镜
光学谐振腔的作用 1 )使激光具有极好的方向性（沿轴线） 2 )增强光放大作用（相当于延长了工作物质） 3 )使激光具有极好的单色性（选频）
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