一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而 且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高 能级的原子数目比处在低能级的还多时，受 激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。 由此可见，为使光源发射激光的关键是发光 原子处在高能级的数目比低能级上的多，这 种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件 下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因 此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生 激光的必要条件。
3 光电子技术
光电子技术与微电子技术构成了当今信息技术的 两大支柱；
光子独特的优点：极大的响应速度、极大的频宽、 极大的信息容量； 美国：通信和计算机研究与发展的未来世界属于 光 子学领域； 中国：国家863计划与973计划两个高科技计划 的重点是光电子产业；
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中国的光谷：武汉东湖新技术开发区
4 光电子材料

含义：在光电子技术领域应用的，以光子、电子 为载体，处理、存储和传递信息的材料。

包含：固体激光材料、光纤材料、太阳能电池材
料、光显示材料等
20世纪四大发明：原子能 计算机
半导体 激光器
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激光材料

激光的基本原理 激光材料 激光材料的应用
激光
英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated
1
光纤
2
激光器
2 光电子技术的发展
1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科；
1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器——红宝石 激光器，引起连锁反应。
1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼设计和建造了 一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上， 从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点 达到比太阳还高的温度 ，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。 3
Emission of Radiation) 受激辐射的光放大“镭射”、“莱塞”
中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受
激发射”改称“激光”
“最快的刀”
“最准的尺”
“最亮的光” 《奇异的激光》——小学五年级语文课文

世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一 门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭 新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的 发展，目前已有数百种新型激光工作物质。
处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收 一个光子， 跃迁到高能级态；
宏观表现：光被吸收
(c)：受激辐射
处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁 到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。
宏观表现：光被放大
自发辐射与受激辐射的区别：
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发 光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规 则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发 能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范 围。 受激辐射时, 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率 （能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全 一样。


3、粒子数反转
要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使 N2>N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡 分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的 粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反 转分布，见图4。
图4 粒子数的分布 （a）正常分布 （b）反转分布

粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总 是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明， 许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激 光的产生提供了基础。
各原子的自发发射是独自进行的，彼此无关。
图2 粒子的自发辐射

（3）受激发射：处于高能级的原子不仅可以自 发发射，而且可以在入射频率为ν21的光子感应下 受激发射，跃迁到E1能级上（图3）。
图3 粒子的受激发射
(a)：自发辐射
处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐
射出一个光子；
宏观表现：发光 (b)：受激吸收
2 光电子技术的发展
1961年，第一台激光测距机问世，随后各种激光 武器相 继研制成功。
20世纪70年代，低损耗的光纤、半导体激光器的 成熟、 CCD图像传感器问世，导致光信息技术蓬 勃发展。 20世纪80年代，对量子阱材料等其他材料的深入 研 究，导致一些新的光电子器件的产生与应用。 20世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储 4 方面 取得了极大成功。
绪：1 什么是光电子技术？
是电子技术与光子技术相结合形成的一门新兴的综合性的 交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量 相互转换的相关技术。
电子技术：包括真空电子技术、气体电子技术、固体
电子技术等，主要研究电子的特征与行为及其在真空 或物质中的运动与控制 光子技术：研究光子的特征与行为及其与物质的相互 作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。
结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。
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受激辐射占主导之必要条件；受激辐射>受激吸收
4 形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
1960年美国科学家梅曼红宝石激光器
激光的基本原理


一、激光材料的物理基础
1、波尔兹曼统计分布 根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子)集 合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从波耳兹曼 分布规律，即
N2 / N1 e

( E2 E1 ) / kT
N2、N1分别为能级E2和E1上的粒子数。 在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于 低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数，这 叫粒子数正常分布。

Байду номын сангаас
2、光的吸收和发射 辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发 辐射和受激发射。
（1）受激吸收：当一个频率为ν21的准单色光波通 过能隙hν21的二能级系数时，若能级满足辐射跃迁 选择定则，这时处于低能级E1的原子吸收入射光 子，跃迁到高能级E2上(图1)。

图1 粒子的受激吸收

（2）自发辐射：跃迁到能级E2上的原子是不稳定 的，它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到 E1能级上（图2）。