《光源与激光器》PPT课件.ppt

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1、光与现代科技讲座,第二章 光源与激光器,光与现代科技讲座,云南大学信息学院通信工程系 宗 容,第二章 光源与激光器,光与现代科技,光与现代科技讲座,第一章 绪论 2第二章 光源与激光器 2第三章 光纤与光学传感技术 4第四章 激光在现代医学中的应用 4第五章 激光在军事技术中的应用 4第六章 激光在现代工业和加工中的应用 4 第七章 光与信息技术 4第八章 光通信技术与网络 6第九章 光学成像、全息与显示技术 2第十章 光电集成与纳米技术 2,第二章 光源与激光器,2.1 光源及其特性1.光源的类别2.光源的基本特性参数3.激光的基本特性；2.2 激光辐射原理1.跃迁和辐射2.激光器的基本构成

2、3.激活粒子的能级系统4.激光输出模式2.3 激光器的类型1.气体激光器2.固体激光器3.染料激光器4.半导体激光器5.光纤激光器,2.1 光源及其特性,发光是由于自发辐射或受激辐射导致的。凡是能辐射光波的物体均为光源按照光源的性质，光源可分为自然光源和人造光源、相干光源和非相干光源等。自然光源：是自然界中存在的，如太阳、恒星等人造光源：是人为地将各种形式的能量，如热能、电能、化学能转换为光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源，如激光器等相干光源：频率相同、振动方向相同，相位差恒定的光源非相干光源,1、光源类别,2.光源的基本特性参数,1.辐射效率和发光效率辐射效率：给定波长范

3、围内，某一光源在单位电功率的作用下产生的辐射通量，称为该光源在规定辐射范围内的辐射效率发光效率：对于可见光范围，某一光源在单位电功率的作用下产生的光通量，称为该光源的发光效率2.光谱功率分布3.空间光强分布4.光源的色温5.光源的颜色,1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。什么是激光？激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原理和光放大过程产生出来的一种特殊光。激光的英文名称是 Laser，它是英语短语“受激发射光（light amplification by stimulated emission of radiation）放大”中每个实词第一个字母组成的缩略词，它包含了激光产生的由来

4、。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激光激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。,高方向性,颜色极纯-单色性强,相干性强，,3.激光的特性,高强度，高亮度；,激光是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主要特点：,普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性激光束发散角小，接近衍

5、射极限，约为10-3rad量级，对应的主体角在10-6sr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。,1.方向性好,它发射出去的光，基本上是一条直的平行光束。,光束发散角=2,探照灯：35毫弧度1度,激 光：10-2毫弧度,s,r,激光的高方向性,具有单一频率的光波称为单色光。,任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。,波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好,谱线宽度：通常用强度下降到,的两点之间的波长范围：,谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量,单色光：,2.单色性好。,光波的单色性可表

6、示为,氦氖激光的单色性比单色性最好的普通光源，如氪灯好 倍。,谱线宽度,中心波长,=,激光问世前，最好的单色光是氪灯发出的光，而激光比氪灯光的单色性高出几十万倍。,激光的颜色极纯单色性强,光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。,激光器能产生宽度极窄的光脉

7、冲，使用 开关的激光器，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。,3.高强度和高亮度。激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦（厘米2.球面度），而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出714个数量级，即激光的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍，,一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）,强激光甚至可产生上亿度的高温。尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激

8、光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。,干涉是波动现象的一种属性。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。激光的这一特性使全息照相成为现实。,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。,4.相干性好、偏振性好。激光即便从各点发出的光，也如同从一个点发出的光一样，具有相同的频率、相位和振动方向。,所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造

9、福的技术的总称自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的“带头技术”之一。,2.2 激光辐射原理,1.激光器的发明2.能带理论3.激光的产生与激光器跃迁和辐射激光器的

10、基本构成3.激活粒子的能级系统4.激光输出模式激光器的构造，基本原理，特性，分类；,1、激光器的发明,1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论按照量子论辐射的发射和吸收，关于辐射的量子理论强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性。1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25厘米的氨分子振荡器受激辐射微波放大器1958年 肖洛和汤斯发表了红外线和光的微波激器肖洛提出创造性设想光腔代替微波共振腔1960年 7月7日梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光器,向各个方向自发辐射的光子,沿中心轴方向的辐射被受激放大,光在工作物质中反复传播被放大,激光器的组成：工作物质 泵辅源 光

11、谐振腔,工作物质,聚光腔+M光谐振腔,M,M,肖洛提出光腔代替微波共振腔,1960年7月7日：梅曼成功研制出第一台红宝石激光器,世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。,梅曼和第一只激光器,（1）原子中电子的能级,能带理论,2、能带理论,（2）晶体中原子的能带,价带：能量最高的被价电子填满的能带导带：价带以上的能带基本上是空的，其中能量最低的能带禁带：价带与导带之间的区域,2）泡利不相容原理,泡利不相容原理限制能占有某个原子能级的电子数，同样也限制一个晶格的能带内所容纳的电子数。,举例：考虑钠原子中3S原子能级的能带,一般的原子中，内层电子的能级以及其相应的能带

12、都是被电子填满的。而硅等共价键结合的晶体中，其内层电子到最外层的价电子都正好填满相应的能带。,能带理论,（3）导体中的能带,考虑一种如图所示能带结构的金属，这种能带结构可能相当于钠(Z=11)的能级。,结论：具有如图所示那样能带结构的物质应为良导体，换句话说，良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。,又如:Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1)Mg(1S22S22P63S2),能带理论,疑问：如上面的分析，那么Mg(镁)是否属于良导体呢？,结论：实际上由于最高能带可能发生重叠，镁的3S电子可分布在3S和3P能带中，因此镁应为良导体。对有些物质，它们的原子具有满

13、充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。,能带理论,（4）绝缘体的能带,现在考虑这样一种物质，该物质中的最高能带即价带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠,如图所示。,结论：绝缘体最上面的价带是满的，同时和下一个空带之间有几个电子伏特能隙的固体。,能带理论,（5）半导体的能带,注意：半导体的能带与绝缘体的能带很相似，只不过价带和导带之间的能隙比绝缘体的要小得多。因此，半导体是一种绝缘体，但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小。,现在考虑这样一种物质，该物质的最高能带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠。,能带理论,n 型半导体的能带示意图

14、,实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半导体分为两类：,假定取代半导体的原子的另一种物质的原子比半导体的原子具有较多的价带电子。,能带理论,相反地，杂质原子可以比半导体原子具有较少的价带电子。,p 型半导体的能带示意图,总结：为了使半导体的电导率发生大的变化，对于每一百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了，因为杂质的电离能比禁带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导体的导电性能影响很大。,能带理论,理论基础之,光的光增益,光学谐振腔,产生激光的条件,激光器,3.激光的产生与激光器,高能级,低能级,1.原子数按能级分布热平衡时，单位体积内处于

15、各个能级上的原子数分布,光的光增益,2.光与物质相互作用,光的光增益,激光产生原理,物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。,碳原子示意图,1.自发吸收：电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶(图 a)。2.自发辐射：电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶(图 b)。3.受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子(图 c)。,1)受激吸收过程,2.光与物质

16、相互作用,光的光增益,外来光场中频率 的能量密度,光的光增益,2)自发辐射过程,激活粒子的平均寿命:2,自发辐射概率为:,光的光增益,设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为N2,光的光增益,3)受激辐射过程,光的光增益,光的光增益,光的光增益,视频,1)实现粒子数反转分布的条件,电激励,化学激励,热激励,光激励,(A)激励(又称泵浦),3.介质对光的增益作用,光的光增益,光激励,光的光增益,电激励,光的光增益,(B)合适的能级结构,二能级系统 用光泵的方法不可能实现粒子数反转分布,光的光增益,三能级系统 当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3 于E2 间实现粒子数反转。,光的光增益,在 E2

17、和E1 能级间也有可能实现粒子数反转。,红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。,采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。,光的光增益,四能级系统 比三能级系统容易实现粒子数反转分布。,光的光增益,氦氖气体激光器是四能级系统,光的光增益,共振转移,2)介质的增益作用,光的光增益,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,1.光学谐振腔的作用,光学谐振腔,振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。,q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵

18、模数。,1.纵模 能引起振荡的频率关系2.横模 光场在横向不同的稳定分布。,光学谐振腔,横模,光学谐振腔,(1)要有适当的激光工作物质(2)要有外界激励源(3)要有激光谐振腔,激光形成的基本条件,1.激光形成的基本条件,产生激光的条件,2.激光形成的阈值条件,光在谐振腔内受到各种损耗:(1)反射镜的透射损耗(2)谐振腔的内部损耗,内,产生激光的条件,产生激光的条件,由以上讨论可将激光工作原理总结如下：,(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子 数反转(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 播的光子在工作物质中引起受激辐射(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内 往返振荡，不断得到放大(4)满足阈值

19、条件下形成激光,1.激光器的结构,工作物质,激光器,激光器的结构,一台激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔组成,工作物质：工作物质具有一定的能级结构，用来实现粒子数反转。不同的激光器工作物质不同。泵浦源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。谐振腔,谐振腔,光学谐振腔结构：,在工作物质的两端安置两

20、面互相平行的反射镜，其中一面是全反射镜，另一面是部分反射镜，这两面反射镜及它们之间的空间称为光学谐振腔。,光学谐振腔其作用：,（1）产生和维持光振荡（2）确定激光方向（3）选频（4）选偏振,2.3 激光器的分类,激光器的分类,激励方式,工作物质,工作方式,输出波长,输出频率特性,2.3 激光器的分类,按工作物质分类：固体（包括晶体和玻璃）气体（包括原子、离子、分子、准分子）液体（包括聚合物、无机液体和有机染料）半导体按波段范围分类：紫外、可见光、红外按泵浦源分类：电泵浦、热泵浦、光泵浦、化学泵浦、核泵浦、太阳泵浦等按激光输出特性分类：单横模、多横模、单纵模、多纵模等,2.3 激光器的分类,按工

21、作方式分类：脉冲波、连续波（辐射光脉冲在时间上是否连续）按光学谐振腔的设置分类：非稳定腔、共焦腔、平面腔及配有调Q装置或锁模装置按可调性分类：波长可调谐、波长不可调谐,其他激光器自由电子激光器x射线激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,铜蒸气激光,1.按工作物质分类,激光器,工作物质-各种掺杂离子型绝缘晶体或玻璃体最常见的有红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等3种。一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。固体激光器中常用的还有钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，它的工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺

22、有氧化钕。晶体结构与红宝石相似。激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的红外光，可以连续工作，也可以脉冲方式工作。,（1）固体激光器,掺钕钇铝石榴石 Nd:YAG 1064nm,近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出几千瓦,脉冲输出几万焦耳,1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm2940nm:医学和通信由于这种激光器输出功率比较大，不仅在军事上有用，也可广泛用于工业上。此外，钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器，对治疗白内障和青光眼十分有效。,固体激光器,在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管

23、或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。,掺铒光纤激光器,（2）气体激光器,工作物质：原子气体、分子气体和离子气体,氦氖激光器,氩离子激光器,应用最广泛，大多数可连续工作，输出的激光波长有数千种，分布在从0.2m真空紫外至4m远红外波段内。常见的气体激光器有：氦氖激光器、氩离子激光器、CO2分子激光器。,气体激光器性质,以气体为工作物质，单色性和相干性较好可长时间稳定工作。激光波长可达数千种，应用广泛。结构简单、造价低廉、操作方便。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广

24、泛。,气体激光器,分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光 的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点发光都在紫外波段。用途多用于微细加工，光刻及医学。原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当 两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。,气体激光器,（3）液体激光器,工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。,染料激光器,液体激光器,主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点：输出激光波长可以调谐，从红外到紫外

25、范围调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，具有均匀良好的光学质量，适于光化学与光谱学方面的应用。其染料分子由许多原子组成，结构复杂。其可调谐特性是由于染料分子中的自吸收现象可以使荧光光谱峰值发生位移，从而发生在荧光光谱峰值的激光波长也相应变化,液体激光器,(4)半导体激光器,特点：体积小（只有火柴盒大小）、重量轻、寿命长、结构简单，是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.80.9微米之间。半导体激光器有一个PN结，可使用电源直接调制激光发射，具有较高效率，与其他激光器相比，光束发散角比较大，易受环境温度影响，输出功率较小.,(4)半导体激光器,只要通以适当强

26、度的电流就有激光射出，再加上输出波长在红外线光范围内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰、坦克、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50 m x 150 m x 250 m，比普通的米粒还小。用于：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测、测距、信息处理等方面。,半导体激光器,红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20

27、千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是最强大的一种激光。它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时，一不小心就会把自己的衣服烧坏，裸露的皮肤碰到了也要烧伤，所以这种激光器上都贴着“危险”的标记，操作时要特别留神。,(5)红外激光器,（6）X射线激光器,X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高,目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区，X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研

28、究。已经用波长4.483nm X射线激光制成了X射线显微镜，并成功地得到了老鼠精子内核的图象，用于DNA在精子细胞内排列的研究。,（7）生物微腔激光器,砷化镓基底,半导体反射镜,量子阱增益区,液体中的细胞,介质膜反射镜,玻璃基底,一种研究活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖镀有反射膜的玻璃片。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状，模式，空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器 一般用波长850纳米的半导体激光

29、器来制作。,（8）纳米激光器问世 据2001年美国科学杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。,激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件 高功率、高能量激光器；脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒 10-9 10-12 10-15 10-18 脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。,四十多年来，激

30、光器的品种迅速增加：固体激光器半导体激光器固体激光器（半导体激光泵浦）化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）,复习思考题及习题,1什么是激光？其特点是什么？2什么是自发辐射？受激辐射？受激吸收？他们分别与何器件相对应？3激光器由那三个部分组成？简述其工作原理。4.谐振腔的作用是什么？5.激光器如何分类的？6.激光技术在科学研究领域有哪些应用？,本章结束，谢谢！,2.4 激光器的应用,1.激光加工,利用聚焦激光束具有极高功率密度的特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、划片、雕刻、去重和热处理。优点：无实体接触、加工精度高(1m以下)、畸变小、节能。,2.激光

31、精密计量 激光的单色性好，相干性强，用作计量检测，具有很高的精度。,激光的应用,激光打孔,激光切割,3.激光信息处理 激光的相干性好，用它作为光源，能够使存储、传递、处理信息的容量和速度大幅度增加。,激光的应用,全息照相,4.激光在科学实验上的应用,由于激光具有优异的特性，激光技术已成为整个科学技术领域强有力的研究工具。20世纪80年代，激光冷却和捕陷原子在理论和实践上取得重大突破。,激光的应用,低能激光武器,高能激光武器,激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。

32、,【复习思考题及习题】1什么是激光？其特点是什么？2什么是自发辐射？受激辐射？受激吸收？3激光技术在科学研究领域有哪些应用？,(四)激光与普通光的区别,激光与自发辐射光在本质上完全一样，都是通过物质内部的粒子把外界能量转换来的。所不同的是激光是用一种特殊的光源和发光物质在激光器里产生的，它是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主要特点：,通常情况下，电子在原子最近的轨道上运动时，原子处于最低的能量状态，即：稳定状态。当外界向原子提供能量时，原子由于吸收外界能量而引起自身能量状态发生变化，能量提高了，此时原子中的电子就会从能级低的轨道跳到某一能级高的轨道上运动。且外界提供的能量越大，电子的轨道就

33、越高。但被激发到高能级上的原子是不稳定的，它们在高能级上只停留极短的时间(10810 9S)，然后立即向低能级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的，称为自发跃迁。,然而，原子在自发跃迁过程中，要把吸收的能量释放出来，如果释放能量的形式是向外辐射一个光子，此释放能量的过程称为自发辐射。,自发辐射光极为常见，普通光源发光，主要包含受激吸收与自发辐射两个过程。当外界不断地提供能量时，原子就会不断地由受激吸取到自发辐射，循环不止地进行，每循环一次，辐射一个光子，光就是这样产生的。它的特点是：由于各个原子在自发辐射时，没有统一的步调，辐射的时间有先有后，波长有长有短，传播的方向也不一致

34、，所以通常我们见到的光，都是许多杂乱无章的光子组成的散光。如：阳光、灯光、火光都属于自发辐射光。,(三)什么是激光,激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原理和光放大过程产生出来的一种特殊光。,受激辐射是指当处于高能级的原子，在外界因素的诱发下，跃迁回到低能级而发光的过程。,光放大是指输入一个外来光子，而输出的是两个完全相同的光子，其中一个是外来光子，另一个是被外来光子诱发出来的光子。这样一个光子诱发一个原子产生受激辐射，得到了两个完全相同的光子，这两个光子再去诱发两个原子产生受激辐射得到完全相同的四个光子如此链锁地进行下去，完全相同的光子数目便会越来越多，即光被“放大”。,(五)激光器,

35、激光器是利用物质受激辐射放大电磁波的原理产生激光的装置。它由工作物质，谐振腔和激励源三部分组成。,1.工作物质。又称为激光物质，它与普通发光物质的区别就在于具有亚稳态能级。也就是说，激发到高能态的粒子稳定时间较长，通常可达103秒数量级时间，但最终还是要自发地回到基态，以保持其稳定性。工作物质受到激励后，将出现两种粒子，一种高能级粒子，另一种低能级粒子，当高能级粒子多于低能级粒子时，就会有激光输出。,2.谐振腔。谐振腔是由两个面对面的反射镜构成的腔，其中一块全反射镜，另一块为部分反射镜，此两镜互相平行，分别装置于激光物质的两端，且与激光物质的轴线垂直，它们之间的光学长度等于受激辐射光的半波长的

36、整倍数。由于谐振腔的控制，只有沿着激光物质轴线方向的受激辐射光子，才能在谐振腔中来回振荡往返于激光物质之中，使受激辐射的光放大连续进行。这样既保证了激光的连续输出，又限制了输出激光的方向和波长。,3.激励源。必须给工作物质以足够强的能量，靠这个能源将基态的粒子激发到高能态，最后实现粒子数反转。能源是多种多样的。如：光能、电能、热能、化学能等。,激光器的种类繁多。按工作物质划分有：固体、气体、半导体、化学、染料等激光器。按谐振腔分有：非稳腔激光器、共焦腔激光器、平面腔激光器等。按激发方式分有：电激发激光器，热激发激光器，光泵激光器和化学激光器等。激光器是激光应用技术中的重要部件。因此，激光器的研

37、制水平标志着一个国家激光技术的发展水平。,激光定义：受激辐射光（light amplification by stimulated emission of radiation）放大简称激光(laser).一、激光产生的原理 1.原子能级的正常态分布 波尔兹曼分布定律 Nn=N0exp（-）Nn为处在能量为En能级的原子数、N0为原子总数、k为波尔兹曼常 数、T为绝对温度.,2.自发辐射、受激吸收和受激辐射 自发辐射:自发辐射的过程与外界作用无关，各个原于的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向和初位相都不相同。此外，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发出不同频率的光，这是普通

38、光源发光机理。由此可见，自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相干光。,受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称“感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传播方向都相同,是特征完全相同的相干光.,3.粒子数反转分布 必须使光受激辐射占优势，就是要原子在能级上的分布一反常态，使处于高能级的原子数目远远多于低能级的原子数目，通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”(inverse distribution of particles)。工作物质的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。,三能级系统,四能级系统,4.光学谐振腔:“粒子数反转分布”仅仅是实现光放大的条件，要获得激光输出，还必须把光的放大转化为光的振荡。利用反馈的概念，把放大了的光反馈一部分回来进一步放大，即可产生振荡。这就需要一个光学谐振腔(Optical resonance cavity),