一、粒子数反转 （一）什么是粒子数反转 平衡时，粒子数服从波耳兹曼分布
激光技术是60年代初发展起来的高新技术。60年代 以来，激光技术发展极为迅速，现成为新的工业革命的 先导之一，在工业、农业、医学、军事、科研等各个领 域有广泛应用。
激光核聚变实验装置
激光发展简史 （物理—技术—物理）
1860 1900 1905 1917 1953 1958 1960
1961-65
子数保持不变（比方：各楼层人数不变，上下人数同）
h
( )
N2 E2 N1 E1
N2 E2
h
N1 E1
( ) h
N2 E2
h h
N1 E1
光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒
子数保持不变
h
( )
N2 E2 N1 E1
dN12 B12( )N1dt
N2 E2
h
N1 E1
dN21 A21N2dt
发射方向、位相、偏振状态、频率等随机混乱。“乌合
之众”。——普通光源的发光机制。
三、受激辐射
爱因斯坦1917年提出受激辐射概念。 h E2 E1
当原子处于能量密度为( ) 的外来
光场中，除了一些原子吸收 h 光子从 ( ) h
E1 E2 外，还有一些原子会在外来光 子刺激下，从高能态 E2 跃迁至低能 态 E1
h E2 E1
dt 时间内从 E2 E1 跃迁的原子数：
dN21 N2，dt
dN21 A21N2dt
A21
dN21 N2dt
h E2 E1
N2 E2
h
N1 E1
A21 —称为自发辐射系数。即一个原子在单位时间（每
秒）内从 E2 E1 的跃迁几率。
自发辐射特点：
各原子发光自发独立，与外界作用无关；非相干光，
讲座：神奇的激光
提纲
原子的激发与辐射 激光产生原理 激光的技术应用
引言
什么是激光？ 英文名字：Laser即“light amplification by stimulated emission of radiation”“受激辐射光放 大”，简称“激光”。是一种新型光源。
激光与普通光源比较，从发光机制到特性都完全不 同。其性能之优越，普通光源无法相比。
N2 E2
h h
N1 E1
在外来光子刺激下，原子从高能态 跃迁至低能态，
同时辐射一个与外来光子完全一样的光子（频率、位相、
偏振态、传播方向全同）。这种过程叫做受激辐射。
dt时间内从 E2 E1跃迁的原子数：
dN21 （v），N2，dt
dN21 B21（）N2dt
受激辐射系数
( ) h
N2 E2
( ) h
N2 E2
h h
N1 E1
dN21 B21（）N2dt
dN12 dN21 dN21
B12（）N1 B21（）N2 A21N2
统计物理证明：
B12
B21
B
A21
8 h 3
c3
B
如果打破平衡，使受 激辐射占主导，产生 激光；自发辐射占主 导，普通光。
2 激光产生原理
产生激光的关键：使受激辐射占优势。 两个主要手段：实现粒子数反转；谐振腔
主要特性：高方向性（发散角10万分之一弧度， 几乎平行；高亮度（最高可达太阳表面亮度的100万亿 倍）；高相干性（相干长度达数百公里）；高单色性
（ 107 A）。
各类激光器中，输出功率低至10-6W，高至1012W。 各类激光输出波段宽：可见；紫外；近红外；远红外。 激光工作物质广泛：固体（包括半导体）；液体；气 体
h h
N1 E1
h E2 E1
B21（）
dN21 N2dt
称为受激辐射速率
即一个原子在单位时间（每秒）内从E2 E1 受激跃迁 几率（百分比）
受激辐射特点：
辐射光子与入射光子全同，相干光 ( ) h 光放大：在一个光子作用下，获得
大量状态全同的光子，该现象称之光 放大。
一个光子刺激原子，产生两个全同 光子，两个光子刺激其它原子又产生四 个全同光子，…….
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激光为什么会有如此神奇 的威力？如何得到激光？本讲 座将介绍激光的基本知识，首 先从原子发光的机理谈起！
1 原子的激发与辐射（激光理论基础）
N2 E2
h h
N1 E1
如果能提供适当条件，实现光放大，就获得了激光。 所以，受激辐射——激光产生机制。
N2 E2
h
普通光——自发辐射；
N1 E1
“自由散漫”“乌合之
众”
( ) h
N2 E2
h
激光——受激辐射
h
N1 E1
“步调一致”“战斗集
体”
四、吸收与辐射之间的平衡关系 光与物质作用，三过程同时存在。平衡时，各能级粒
设 ( ) 为频率 的入射光能量
密度。dt 时间内从E1 E2 跃迁的原
子数：
dN12 (v), N1, dt
dN12 B12( )N1dt
h
( )
N2 E2 N1 E1
h E2 E1
B12 —吸收系数
N1 —E1能级原子或粒子数 N2 —E2能级原子或粒子数
w12
B12 (v)
dN12 N1dt
1968-69 1982 80年代－
Maxwell 建立光的电磁理论 Planck提出能量子假说 Einstein提出光量子理论 Einstein提出受激辐射理论 Towns建立第一台微波激射器（maser) Towns,Shawlow开始研制激光器 Maiman制成第一台红宝石激光器
激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器， 用于激光通讯； CO2激光器，用于激光熔炼、 激光切割、激光钻孔... 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系
称为吸收速率
w12
B12 (v)
dN12 N1dt
吸收速率
h
( )
N2 E2 N1 E1
即单位时间内，原子从 E1 跃迁到 E2 的几率（对大量 原子而言是百分比）
二、自发辐射
N2 E2
h
激发态原子不稳定，会自发地从高能级
N1 E1
E2 向低能级 E1 跃迁，多余的能量以光的形式发出。
这种过程称为自发辐射。
激光虽然于60年代才问世，但其物理基础却在此前
40多年就由爱因斯坦建立。其核心内容：是受激吸收、
自发辐射、受激辐射三个基本概念。
一、受激吸收
h
在辐射场（光）作用下，当
( )
N2 E2 N1 E1
h E2 E1
有些原子会吸收 h 能量从低能级 E1 跃迁到高能级 E2 ， 这种过程叫受激吸收或激发。