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第十八章第十八章 原子结构原子结构第五节第五节 激光激光（一）自发辐射（一）自发辐射发光前发光前发光后发光后自自发辐射、受激吸收和受激射、受激吸收和受激辐射射 1916年爱因斯坦在玻尔能及理论基础上提出年爱因斯坦在玻尔能及理论基础上提出辐射辐射的量子理论的量子理论，是产生激光的基本原理。，是产生激光的基本原理。普通光源普通光源（白炽灯、日光灯、高压（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为水银灯）的发光过程为自发辐射自发辐射。各原。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同振动方向、相位不一定相同为为非相非相干光干光。光子的频率为光子的频率为（二）受激吸收（二）受激吸收吸收前吸收前吸收后吸收后激激光光原原理理（三）受激辐射（三）受激辐射发光前发光前发光后发光后 当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。的激发下向低能级跃迁而发光。激激光光原原理理 特点：特点：受激辐射产生的光子与外来受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的特征：它们的频率、相光子具有相同的特征：它们的频率、相位、振动方向均相同。位、振动方向均相同。光放大光放大相干光相干光（激光）（激光）激激光光原原理理一、激光一、激光 1 1、概念：、概念：激光准确内涵是激光准确内涵是“辐射的受激发射的光放辐射的受激发射的光放大、大、”。英文全称为英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 缩写为缩写为LaserLaser，中文也常音译为，中文也常音译为“镭射镭射”。2 2、产生机理：、产生机理：激光的产生原理是利用了物质激光的产生原理是利用了物质原子受激辐射后原子受激辐射后发生跃迁发生跃迁的特性。的特性。特点特点作用作用应用实例应用实例相干光相干光 可进行调制、传递信息可进行调制、传递信息光纤通信光纤通信平行度平行度非常好非常好传播很远距离能保持一定传播很远距离能保持一定强度，可精确测距测速强度，可精确测距测速激光雷达激光雷达可会聚于很小的一点，记可会聚于很小的一点，记录信息密度高录信息密度高DVDDVD、CDCD、VCDVCD机，机，计算机光驱计算机光驱亮度高亮度高可在很小空间短时间内集可在很小空间短时间内集中很大能量中很大能量激光切割、焊接、激光切割、焊接、打孔医疗手术打孔医疗手术产生高压引起核聚变产生高压引起核聚变人工控制聚变反人工控制聚变反应应（一）粒子数的正常分布和反转分布（一）粒子数的正常分布和反转分布受激辐射：光子数受激辐射：光子数受激吸收：光子数受激吸收：光子数激激光光原原理理 粒子数正常分布：粒子数正常分布：受激吸收占优势，发受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。生其他两种过程的几率很小。粒子数反转分布：粒子数反转分布：受激辐射占优势，光通过工作物质后受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。得到加强，获得光放大。（二）产生激光的必要条件（二）产生激光的必要条件激激光光原原理理（1）激活介质）激活介质一般情况：大量原子处于基态，而处激发态一般情况：大量原子处于基态，而处激发态的时间很短，约为的时间很短，约为 ，不稳定。，不稳定。亚稳态：亚稳态：不如基态稳定，但比激发态不如基态稳定，但比激发态要稳定得多，如要稳定得多，如 具有亚稳态的工作物质，就能实现粒具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转子数反转。激激光光原原理理 （2）抽运装置：）抽运装置：它是使激活介它是使激活介质产生粒子数反转的装置。质产生粒子数反转的装置。从外界输入能量（如光照、从外界输入能量（如光照、放电等）。放电等）。（3）光学共振腔）光学共振腔 要获得具有一定寿命和强度的激光，要获得具有一定寿命和强度的激光，必须加光学谐振腔。必须加光学谐振腔。全全反反射射镜镜部部分分透透光光反反射射镜镜激激光光光光束束激激光光原原理理 例：例：红宝石红宝石：在人工制造的刚玉在人工制造的刚玉（）中，掺入少量的铬离子（）中，掺入少量的铬离子（）而构成晶体。起发光作用的是铬离子。而构成晶体。起发光作用的是铬离子。红宝石中铬离子能级图红宝石中铬离子能级图激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态产生激光产生激光激激光光原原理理受激吸收受激吸收强光照射强光照射无辐射跃迁无辐射跃迁放出能量放出能量（红宝石发热）（红宝石发热）激激光光原原理理激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜激光工作原理激光工作原理：out光放大原理光放大原理激光器有两个反射激光器有两个反射镜，它，它们构成一个光学构成一个光学谐振腔。振腔。激励能源激励能源 全反射全反射镜部分反射部分反射镜激光激光光学光学谐振腔的作用：振腔的作用：1.对方向方向进行行选择（/轴线光放大），光放大），使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性；2.来回反射多次放大（延来回反射多次放大（延长了工作物了工作物质），），增增强光放大作用，形成光放大作用，形成强光光 3.在腔内形成在腔内形成驻波的光放大，波的光放大，使激光具有极好的使激光具有极好的单色性色性（相干性）（相干性）练习1.在激光器中利用光学在激光器中利用光学谐振腔振腔（1）可以提高激光束的方向性，而不能提高）可以提高激光束的方向性，而不能提高其其单色性。色性。（2）可以提高激光束的）可以提高激光束的单色性，而不能提高色性，而不能提高其方向性。其方向性。（3）可以同）可以同时提高激光束的方向性和提高激光束的方向性和单色性。色性。（4）不能提高激光束的方向性，也不能提高）不能提高激光束的方向性，也不能提高其其单色性。色性。答案：答案：（3）练习2.激光全息照相技激光全息照相技术主要是利用激光的哪一种主要是利用激光的哪一种优良特性良特性（1）亮度高）亮度高（2）方向性好）方向性好（3）相干性好）相干性好（4）抗）抗电磁干磁干扰能力能力强答案：答案：（3）原子可以通原子可以通过自自发辐射和受激射和受激辐射的方式射的方式发光，它光，它们所所发出出的光的特点是的光的特点是（1）前者是相干光，后者是非相干光。）前者是相干光，后者是非相干光。（2）前者是非相干光，后者是相干光。）前者是非相干光，后者是相干光。（3）都是相干光。）都是相干光。（4）都是非相干光。）都是非相干光。练习3.答案：答案：（2）