普通光源-自发辐射.ppt
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1、 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射一、简要介绍一、简要介绍 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser),它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)Chapter 24:激光与固体中的电子激光与固体中的电子4/13/202312005Lecture Notes WY4/13/202322005Lecture Notes WY1.Characteristics:方向性极好方向性极好(发散角(发散角10-4弧度)弧度)脉冲瞬时功
2、率大脉冲瞬时功率大(可达(可达10 14瓦)瓦)空间相干性好,有的激光波面上空间相干性好,有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。时间相干性好(时间相干性好(10-8埃),埃),相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。单色性单色性(相干性)(相干性)极好极好亮度极高亮度极高4/13/202332005Lecture Notes WY 按工作方式分按工作方式分 连续式(功率可达连续式(功率可达104 W)脉冲式(瞬时功率可达脉冲式(瞬时功率可达1014 W)按波长分:按波长分:极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米(100 n m)(1.222 m m)2.Classifica
3、tion:固体(如红宝石固体(如红宝石Al2O3,YAG)液体(如某些染料)液体(如某些染料)气体(如气体(如He-Ne,CO2)半导体(如砷化镓半导体(如砷化镓 GaAs)按工作物质分按工作物质分4/13/202342005Lecture Notes WY二、受激辐射光放大二、受激辐射光放大E2E1N2N1全同光子全同光子h 单色性极好单色性极好 方向性极好方向性极好 亮度极高亮度极高需要:需要:1)、)、粒子粒子数反转数反转-有长寿命上能级有长寿命上能级 2)、抽运条件)、抽运条件(能源能源)-N1 N2 3)、)、保障单色性和方向性的条件保障单色性和方向性的条件(谐振腔)(谐振腔)4/1
4、3/202352005Lecture Notes WY1、粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 (玻耳兹曼分布)(玻耳兹曼分布)由大量原子组成的系统,在温度不太低的由大量原子组成的系统,在温度不太低的 平衡态,原子数目按能级的分布服从平衡态,原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布:玻耳兹曼统计分布:4/13/202362005Lecture Notes WY 若若 E2 E 1,则两能级上的原子数目之比,则两能级上的原子数目之比 数量级估计:数量级估计:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;4/13/202372005Lecture N
5、otes WY2、原子激发和粒子数反转、原子激发和粒子数反转(population inversion,N2 N1)1)原子激发的几种基本方式:)原子激发的几种基本方式:(1)气体放电激发)气体放电激发(2)原子间碰撞激发)原子间碰撞激发(3)光激发)光激发(光泵光泵)4/13/202382005Lecture Notes WY2)粒子数反转举例)粒子数反转举例 例例.He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He-Ne 激光器中激光器中He是辅助物质,是辅助物质,Ne是是激活物质,激活物质,He与与 Ne之比为之比为51 1011。(布儒斯特定律 P.197)4/13/20
6、2392005Lecture Notes WY亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态共振转移共振转移He:Ne=57:1无辐射跃迁无辐射跃迁短寿命短寿命短寿命短寿命气体放电气体放电激发激发4/13/2023102005Lecture Notes WY3、光学谐振腔的作用:、光学谐振腔的作用:1).使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性(沿轴线);(沿轴线);2).增强增强光放大光放大作用(延长了工作物质);作用(延长了工作物质);3).使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性(选频)。(选频)。4/13/2023112005Lecture Notes WY4、
7、Summary:1)产生激光的必要条件)产生激光的必要条件(2).激励能源(使原子激发)激励能源(使原子激发)(1).有产生粒子数反转的激活介质(激活介有产生粒子数反转的激活介质(激活介 质有合适的亚稳态能级)质有合适的亚稳态能级)()().光学谐振腔(方向性,光放大,单色性)光学谐振腔(方向性,光放大,单色性)2)发展方向)发展方向:大功率,高分辨(时间、频大功率,高分辨(时间、频 率)率)3)研究热点)研究热点:医用和光通信激光器医用和光通信激光器4/13/2023122005Lecture Notes WY 光纤胎儿光纤胎儿4/13/2023132005Lecture Notes WY
8、光纤诊断光纤诊断4/13/2023142005Lecture Notes WY用用脉脉冲冲的的染染料料激激光光(波波长长585nm)处处理理皮皮肤肤色色素素沉沉着着用用激激光光使使脱脱落落的的视视网网膜膜再再复复位位(目目前前已已是是常常规规的医学手术的医学手术)激激光光焊焊接接:高高能能激激光光(能能产产生生约约5500 oC的的高高温温)把把大大块块硬硬质质材材料料焊接在一起焊接在一起4/13/2023152005Lecture Notes WY激光核聚变激光核聚变这这是是激激光光NOVA靶靶室室,在在靶靶室室内内十十束束激激光光同同时时聚聚向向一一个个产产生生核核聚聚变变反反应应的的小燃
9、料样品上,引发核聚变。小燃料样品上,引发核聚变。4/13/2023162005Lecture Notes WYChapter 24:固体能带固体能带(energy band)量子力学计算表明,固体中若有量子力学计算表明,固体中若有N个个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级原来孤立原子的每一个能级,变成了变成了N条靠条靠得很近的能级得很近的能级,称为称为能带能带。一、固体中的电子能级有什么特点?一、固体中的电子能级有什么特点?能带的宽度记作能带的宽度记作 E,数量级为数量级为 EeV。若若N1023,则能带中两能则能带中两能级的间距约级
10、的间距约10-23eV。4/13/2023172005Lecture Notes WY离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图4/13/2023182005Lecture Notes WY二二.能带中电子的排布能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中的固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。某一能级上。排布原则:排布原则:.服从泡里不相容原理(费米子)服从泡里不相容原理(费米子).服从能量最小原理服从能量最小原理设设孤立原子孤立原子的一个能级的一个能级 Enl ,它最多能容它最多能容纳纳 2(2 +1)个电子。个电子。这一能级分裂成由这一能级分裂成由
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