激光原理及應(yīng)用

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1、一．激光與應(yīng)用①方向性好：激光準(zhǔn)直儀、激光手術(shù)刀②亮度大：紅寶石激光器③相干性好：全息技術(shù)（全息儲(chǔ)存、全系測(cè)量、全息電影、攝影）④能量密度高：激光打孔、激光焊接、激光切割⑤單色性好：氪燈，臨床選擇性治療光譜技術(shù)【①②③為主要特點(diǎn)】二．愛因斯坦模型①一定種類的光子能量與一定的光的頻率相對(duì)應(yīng)ε=hν②一定種類的光子質(zhì)量（考慮相對(duì)論）③一定種類的光子具有動(dòng)量P，與一定的光的頻率和傳播方向相聯(lián)系④一定種類的光子具有一定得偏振態(tài)⑤光子具有自旋，故光子是“玻色”子，即處于相同狀態(tài)的光子數(shù)目是無限制的三．光與物質(zhì)的相互作用（1）①自發(fā)輻射：在無外電磁場(chǎng)作用時(shí)，粒子自發(fā)地從E2躍遷到E1，發(fā)射光子h

2、ν②受激輻射：原處于高能級(jí)E2的粒子，受到能亮洽為hν=E2－E1的光子的激勵(lì)，發(fā)出與入射光子相同的一個(gè)光子而躍遷到低能級(jí)E1③受激吸收：原處于低能級(jí)E1的粒子，受到能量洽為hν=E2－E1的光子照射而吸收該光子的能量，躍遷到高能級(jí)E2（2）受激輻射是產(chǎn)生激光的最重要機(jī)理（3）三種作用是否同時(shí)存在？請(qǐng)說明理由這三種過程是同時(shí)發(fā)生的，若某原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子，對(duì)于其他原子來講是外來光子，會(huì)引起受激輻射和受激吸收，故三者同時(shí)發(fā)生，緊密聯(lián)系四．推導(dǎo)光與物質(zhì)相互作用之間的關(guān)系（1）畫圖【圖見第三點(diǎn)】（2）假定：設(shè)想要把研究的原子系統(tǒng)充入絕對(duì)溫度為T的空腔內(nèi)，使光和物質(zhì)的相互作用達(dá)到熱平衡（

3、空腔黑體內(nèi)輻射場(chǎng)ρν與物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果應(yīng)該維持黑體處于溫度為T的熱平衡腔內(nèi)）（3）關(guān)系依賴于哪幾種過程：玻爾茲曼分布規(guī)律：腔內(nèi)存在：表示的熱平衡黑體輻射熱平衡狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)粒子體系從輻射場(chǎng)吸收的光子數(shù)目=單位時(shí)間內(nèi)粒子體系向輻射場(chǎng)發(fā)射的光子數(shù)目受激吸收受激輻射自發(fā)輻射（4）三種過程相互聯(lián)立：T→∞，g1B12=g2B21則五．解釋譜線加寬的機(jī)理（1）實(shí)際上光強(qiáng)分布總在一個(gè)有限寬度的頻率范圍內(nèi)，每一條譜線都有一定的寬度，ν＝ν0只是譜線的中心頻率，這種現(xiàn)象稱為譜線加寬。（由于能級(jí)有一定的寬度，故當(dāng)原子在能級(jí)自發(fā)發(fā)射時(shí)，它的頻率也有一個(gè)范圍Δνn）f（ν）：?jiǎn)挝活l率間隔的相對(duì)光

4、強(qiáng)分布Δνn=丨ν2－ν1丨為光譜線半值寬度（譜線寬度/線寬）（2）自然增寬：（量子解釋）ΔtΔE=h/2π，Δνn為輻射的自然寬度（自發(fā)輻射），可知：壽命越長(zhǎng)，能級(jí)密度ΔE越小，在基態(tài)τ（即Δt）→∞，ΔE→0，（τ相當(dāng)于源自平均壽命）Δν大小由能級(jí)寬度決定結(jié)論：自然加寬譜線具有洛侖茲線型譜，線寬度完全由原子在能級(jí)的自發(fā)輻射壽命決定，進(jìn)一步說明了加寬是由原子具有有限的激發(fā)態(tài)壽命引起的。②碰撞增寬：Ⅰ由氣體粒子間或氣體粒子與容器間的碰撞或固體粒子間的偶極相互作用而引起的譜線增寬Ⅱ?qū)τ跉怏w而言，大量原子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)將不斷發(fā)生碰撞（或原子與容器壁碰撞）這種碰撞會(huì)使源自發(fā)生中斷或光波位

5、相發(fā)生突變，其效果均可看為使發(fā)光波列縮短）③多普勒增寬：大量同類原子發(fā)光時(shí)，氣體原子的熱運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的，原子的運(yùn)動(dòng)速度各不相同，所以不同速度的原子所發(fā)出的光被接收時(shí)的（表現(xiàn)）頻率也不相同，因而引起譜線頻率增寬六．小信號(hào)工作狀態(tài)（特點(diǎn)）Δn°對(duì)應(yīng)著激光諧振腔未發(fā)出激光時(shí)的狀態(tài)，通常把這個(gè)狀態(tài)叫做小信號(hào)工作狀態(tài)。Δn°=R2τ2－（R1+R2）τ1（小信號(hào)工作時(shí)粒子數(shù)密度在能級(jí)間的反轉(zhuǎn)分布值、能級(jí)壽命、抽運(yùn)算律關(guān)系）滿足要求：①E2能級(jí)的壽命要長(zhǎng)，使該能級(jí)上的粒子不能輕易通過非受激輻射而離開②E1能級(jí)的壽命要斷，使E1能級(jí)上的粒子能很快衰減③選擇合適的激勵(lì)能源，使它對(duì)介質(zhì)的E2能級(jí)的抽運(yùn)

6、速率R2越大越好，對(duì)E1能級(jí)的抽運(yùn)速率R1越小越好七．組成激光器的三個(gè)基本要素及作用，三者之間的關(guān)系①有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)②有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)③有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性八．粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布（1）實(shí)現(xiàn)這種分布是否一定有激光產(chǎn)生？激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)能級(jí)間粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，即Δn>0（或說增益系數(shù)G>0），所以實(shí)現(xiàn)這種分布一定有激光產(chǎn)生（2）什么是激光器的損耗及其分類及其產(chǎn)生的原因

7、激光器的損耗是指在激光諧振腔內(nèi)的光損耗，分為：①內(nèi)部損耗（與增益介質(zhì)的長(zhǎng)度有關(guān)）：在增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分布均勻、粒子數(shù)密度不均勻或者有缺陷，光波通過這樣的介質(zhì)就會(huì)發(fā)生折射、散射，使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗②鏡面損耗：當(dāng)強(qiáng)度為I的光波射到鏡面上，其中r1I（或r2I）反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它部分均為損耗，包括t1I（或t2I），鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴(kuò)散到反射鏡范圍以外造成的損耗a1I或a2I（3）閾值（產(chǎn)生）：隨著腔內(nèi)光