《现代科技概论》7激光科学技术.ppt

第七章激光科学技术
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主要内容
第1节概述
第2节激光及其特性
第3节激光器
第4节激光的应用及其发展
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第1节概述
激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为二十世纪最重要的四大发明。
40多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检测与计量技术,激光全息技术,激光雷达,激光制导,激光可控核聚变,激光武器等等。
1917 年,爱因斯坦提出了受激辐射理论。
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。
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激光的基本原理
E1
E3
E2
按量子力学原理,原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中,原子能量的任何变化(吸收或辐射)都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中,存在三种类型的跃迁。即:受激吸收、自发辐射和受激辐射。
基态
激发态
能级
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如图1-1所示,有一个原子开始时处于基态E1,若不存在任何外来影响,它将保持状态不变。如果有一个外来光子,能量为hv,与该原子发生相互作用。且,其中:E2为原子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子,而被激发到高能态去。这一过程被称之为受激吸收。值得注意的是,只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时,光子
才能被吸收。
受激吸收
E1
E3
E2
原子吸收示意图
hv
E1
E3
E2
——低能级到高能级吸收能量
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与经典力学中的观点类似,处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短(数量级约为10-8s),之后,会自发地返回基态去,同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程,叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
hv
自发辐射示意图
E1
E3
E2
自发辐射
——高能级到低能级放出能量
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自发辐射的特点
这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波也是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体,在管两端加上高电压来激发气体原子,当它们从激发态跃迁返回基态时,便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂,发光方向各向都有,初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
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处于激发态的原子,在其发生自发辐射前,若受到某一外来光子的作用,而且外来光子的能量恰好满足,
原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1,同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。
E1
E2
hv
E1
E2
hv
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受激辐射示意图
受激辐射
——受外来光子影响发生辐射
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这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的,而且受激辐射出的光子,与入射光子具有相同的频率,相同的初相,相同的传播方向,相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中,输入一个光子,可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上,产生受激辐射,而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。这是激光器发明的理论基础,由爱因斯坦奠定。
受激辐射的特点
hv
hv
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hv
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输入
输出
光放大示意图
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