非相干光。
二、受激辐射和受激吸收
1）受激吸收 （共振吸收, 光的吸收）
处在低能级E1的原子受到
E2 能量等于h=E2-E1的光子
h
的照射时，吸收这一光子
E1 跃迁到高能级E2的过程。
n1 —— t时刻处于能级E1上的原子密度为
dn12 dt
——单位时间内由于吸收光子从低能级E1 吸 跃迁到高能级E2的原子数密度
大功率激光器 I 109 1017Wcm2sr 1
可使一切金属熔化
可使一切非金属化为一缕青烟
二、激光的应用
粒子数反转分布
激光是受激幅射的光，但还存在自发幅射和吸收， 要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大
根据玻尔兹曼 能量分布律
N e 2
( E2 E1 ) kT
N1
热动平衡下， N2N1，即处于高能级的原子数
大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布
受激辐射占支配地位粒子数反转
高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
激光
14-5 光的自发辐射 受激辐射、光放大
光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射 和受激辐射三种过程。
一、原子的自发辐射
在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从
高能级E2向低能级E1跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件：h=E2-E1
E2
•
E2
h
E1
E1 •
随机过程，用概率描述。
n2—— t时刻处于能级E2上的原子数密度
我国第一台红宝石激光发射器
激光发射器---氦氖红光
氩离子激光器
14-7 激光的特性与应用
一、激光的特性
一）高度单色性
激光所包含的波长或频率范围极小
He-Ne Laser
中心波长 6328 A
波长范围： 108 A
Laser
又如单色性最好的氪灯，其中心波长60576埃
波长范围： 4.7 102 A
粒子数正常分布是： 能 E4 量 E3
E2
N2
粒子数反转状态
E2
N2
E1
N1
E1
N1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成 粒子数反转的状态。
实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有
适当的能级结构； 必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的
粒子处于激发态。（激励或泵浦）
二）高度相干性
相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。 相干性越好则光场中任取两点作光源 所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。
由德布罗意关系式
h p
hp p2
越小(谱线宽度越窄) p越小
杨氏 双缝干涉
又由海森伯不确定关系式
px x
2
x
2px
x越大
即激光光波有很好的相干长度
圆孔衍射
I
r
注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。 二者是统一的.
氦氖激光器的结构
M1
布儒斯特窗
M2 激光
100反射
He,Ne 电源
99反射 1透射
激光器细玻璃管内充有氦和氖气激活介质, 与激光管 的轴严格垂直的两个反射镜(M1:100反射、M2:99 反射1透射)构成光学谐振腔：维持光子振荡放大, 使 激光有良好的方向性和相干性；反射镜两端距离控制其
间驻波的波长，因而激光有极高的单色性。
（100%反射镜）
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
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（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。
激光器
工作物质：具有亚稳态能级结构 光学谐振腔：维持光振荡 激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光
He-Ne 气体激光器
激励方法：光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)
只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转
E4
E4
E3
E3
工作跃迁
E2
E2
E1
(a)
E1
(b)
粒子数反转的实现
He 21S
23S
Ne
5S
20.66eV
3.39
6328Å
4S
碰撞转移 19.78eV
1.15
4P
20.30eV
三）高度准直性(方向性好---激光的发散角小。)
r
l
激光器
r =2~5mrad（毫弧度）
l (1km时光斑直径10m) Laser
He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器
=0.031mrad =410-5mrad
D=1.6km
四）亮度高、能量集中 10mW的功率He-Ne激光器竟产生了比太阳大几千倍 的辐射亮度
dn12 dt
吸
K
B12 I n1
比例系数 入射光强
受激吸收系数
令 W12 K B12 I
则 W12
dn21 dt
吸
1 n1
受激吸收跃迁概率
2）受激辐射 处在高能级E2的原子，受到能量为h=E2-E1的
外来光子的激励，由高能级E2受激跃迁到低能级E1， 同时辐射出一个与激励光子全同(即频率、相位、
dn21 ——单位时间内从高能级E2自发跃迁到低
dt 自
能级E1的原子数密度
dn21 dt
自
A21n2
A21
dn21 dt
自
1 n2
A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个
原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率
自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏
振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是
dn21 dt
受
1 n2
受激辐射跃迁概率
W21——表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率
14-6 激光原理
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光Laser——受激辐射光放大 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 有激光照排、激光美容等….。激光首先是应用在 军事上。现代战争离不开激光。
3P
18.70eV
电子碰撞 3S
16.70eV
11 S
2P
He、Ne原子部分能级图
光学谐振腔
激发态
受激辐射
原子
自发辐射
实现粒子数反转 分布的激活介质
光
学
谐
振
Байду номын сангаас
腔
全反射镜
（100%反射镜）
基 态 辐射的光的位相、 偏振状态、频率、 传播方向是随机的。
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
光
学
谐
振
腔
全反射镜
偏振状态、传播方向等均同)的光子。
E2
h E1
(a)受激辐射
E2 h h
E1
(b)受激辐射的光放大
dn21 dt
——单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能
受
级E1的原子数密度
dn21 dt
受
K
B21 I n2
激励光强
比例系数 受激辐射系数（由原子本身性质决定）
令 W21 K B21 I
则 W21