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激光

下一节:光学谐振腔

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激光课程教案、知识点、字幕

同学们好

这一节我们来为大家介绍一下

激光的原理

激光是人类在二十世纪

最伟大的发明之一

它极大的促进了我们在

很多领域的进步

那么所谓的激光

英文名字叫Laser

音译也叫镭射

它的全名是什么呢

是受激辐射的光放大

取每一个头字母

就构成了Laser这个词

世界上的第一台激光器

是1960年发明的

在此之前

1954年制成的

第一个受激发射的微波放大器

这个叫做梅塞

它们的基本原理都是基于

爱因斯坦提出的

受激辐射的理论

上个世纪对激光的发明

具有最重要的贡献的三个物理学家是

巴索夫 汤斯和普罗洽洛夫

激光按照工作物质

可以分成什么呢

可以分成固体激光器

比如说著名的红宝石激光器

还有液体激光器

比如说某些染料激光器

液体激光器的优点是什么呢

它可以调频

但是它有缺点

比如说染料可能有毒

甚至可能会发生爆炸

那么还有气体激光器

比如说我们常见的氦氖激光器

和二氧化碳激光器

最后呢是半导体激光器

比如说砷化镓激光器

半导体激光器是最近几十年

发明的一个非常重要的激光器

那么它的特点是什么呢

它可以做的很小

所以在通信领域

在很多领域都有重要的应用

比如说我们常用的激光笔

就是由半导体激光器来做成的

那么按照工作方式分呢

可以分成连续式的激光器

它打出的激光呢是连续的

它的功率可以达到10的3次方瓦

也就是一千瓦

那么还有一种是脉冲式的激光器

它出现的光不是连续的

而是一个一个脉冲

这种激光器它的功率可以达到

10的14次方瓦

具有极大的功率

那么激光呢

它的波长可以到从极紫外开始

100纳米一直到亚毫米的一个量级

1点几个毫米

那么我们现在的科学家

还在不断努力

来扩大这个波长的范围

比如再往下

人类希望能够实现

X射线的激光器

或者是γ射线的激光器

那么如果这些激光器一旦实现的话

对于治疗癌症等很多

领域都有非常重要的应用

那么首先激光的原理是和原子的

激发和辐射相关的

首先对于原子来说

最重要的一个过程是自发辐射

什么叫自发辐射

如果原子处在激发态上

也就是比较高的能级上

它会有一定的概率呢

跃迁回到基态

并且呢放出一个光子

光子能量等于两个能级的能量差

那么理论和实验能表明什么呢

表明自发辐射的概率

或者说单位时间内

发生自发辐射的原子数

正比于处在激发态上的原子数

也就是正比这个N2

N2是原子

那么这个比例系数呢

叫做自发辐射系数

它代表单个原子在单位时间内

发生辐射的这个概率

是和不同种类的原子核

它的能级有关系的

那么各种原子

由于它的自发辐射是

彼此相互独立的

互相不影响

所以自发辐射发出的光

它不是相干光源

因为任何两个光子之间的偏振

它的相位都没有任何关系

这就是普通的光

第二个重要的过程呢就是吸收

我们说原子处在某个能量为

E1的这个基态上边

能量比较低的状态上边

那么如果这个光的能量

正好等于这两个能级的能级差

那么呢

原子就有可能把这个光子吸收掉

使原子跃迁到一个激发态上

理论和实践都表明了什么呢

表明这个单位时间内

从基态跃迁到激发态上边这个原子数

正比于处在基态上的原子数

也就是N1

这里边出现了一个系数W12

这W12不像刚才那个

自发辐射系数一样是个常数

它呢还和光的强度有关

显然外界的光越强它应该越大

所以呢它正比于单位频率间隔

外来辐射的能量密度

那么把这个刨除掉

出来这个系数叫做B12

它就是吸收系数

这个时候它只和

具体的原子种类

以及原子的能级有关系

第三个就是爱因斯坦的伟大发现

受激辐射

爱因斯坦在研究

黑体辐射的时候

发现辐射场跟原子之间

进行能量交换

如果只靠自发辐射和吸收

是不能达到一个热平衡状态的

原因是什么呢

是由于吸收它是正比于

光的强度的

如果光在很强的时候

那么大量的原子会被激发到

激发态上面

而自发辐射呢

它又不依赖于光强

这样它向下辐射的这个速度

和吸收的速度呢是不能相比的

因此不会形成一个热平衡态

这样就违背了热力学第零定律

达不到热平衡

那爱因斯坦说呢

如果要达到热平衡

就需要一个另外一种辐射方式

叫做受激辐射

什么是受激辐射呢

它是指如果原子处在激发态

也就是E2这个状态上边

这个时候如果外界打进来一个光

并且光的频率正好满足

E2和E1的能量差

那么就有可能由这个光子

诱发原子发生跃迁

从上能级向下能级

并且再放出一个光子

而新放的光子和诱发的光子

两个是完全相同的光子

无论是频率

还是相位 还是偏振 都一样

这就是受激辐射

受激辐射

显然就有一个光放大的作用

一个光子进来就可以变成两个

两个进来就可以变成四个

而且呢它放大的效果呢

还非常的好

因为放出的新的光子

跟原来光子是完全一样的

它可以形成一个非常好的相干性

一个好的激光器呢

单位量子态可以放出

10的20次方个光子

这是非常多的

那么类似的受激辐射

它也有这么一个关系

单位时间内受激辐射出来的光子

正比于处在上能级

也就是E2能级上的原子数

并且有这么一个系数

这个系数同样依赖于

诱发的光的光强

也就是这个能量密度

同时呢

会出新一个B21这样的一个系数

叫做受激辐射系数

这三个系数统称为

爱因斯坦系数

那么利用热平衡呢

爱因斯坦推出

受激辐射系数和吸收系数必须相等

并且自发辐射系数

和这两个B

也就是吸收系数或者是

受激辐射系数

有这么一个简单的关系

这是由于热平衡的要求

而必须有的

那么因为在热平衡的时候

外界光场都是同一个ρ

所以这个时候受积辐射和

吸收几率是一样的

那么这个式子又告诉我们什么呢

告诉我们如果

自发辐射系数大的话

那么受激辐射和

吸收的系数也大

换句话说

越容易自发辐射的原子

就越容易吸收光

或者越容易实现受激辐射

爱因斯坦的这个理论

为实现激光提供了

坚定的理论基础

好了 下面我们就来看

怎么去实现激光

实现激光的第一条就要实现

所谓的粒子数布居反转

那么为什么要布居反转呢

原因是这样的

一个大量的原子构成的体系

那么我们要实现光放大

而不是光吸收的话

我们必须要改变它的

粒子数的分布

那么在热平衡的时候我们知道

这个粒子

它是满足一个玻耳兹曼分布的

也就是什么啊

基态的粒子束最多

再往上呢少

再往上更少

玻耳兹曼分布告诉我们

这是一个按照指数的一个分布情况

就是这样子

那么在这种情况下

显然激发态的粒子束

是小于基态粒子数的

那么它能不能实现光放大呢

这个不可以

原因是什么呀

外界的光一旦来了之后呢

吸收过程和受激辐射过程

是同时存在的

并且呢这两个

发生的这个几率

或者说出现的这个粒子数

都满足这么一个关系

这里边B12和B21是相等的

而外界的光定了之后它也相等

之后呢就正比于每一个能级

对应的粒子数或者是分子数

那么这个粒子数多的这个能级呢

它发生的过程就大

比如说对于平衡态

那么N1是比N2要大的

而且要远大

那么这个时候吸收的过程

也就是吸收外界的光

从基态一直到激发态的过程

要远远大于从激发态上吸收光

进行光放大的过程

这个时候光是不但不能被放大

而且还会被吸收而变小

那么要产生光放大

显然就必须要做到

N2比N1要大

这种情况呢

就是所谓的粒子数布居反转

那么粒子数布居反转要实现的话

它首先肯定不是平衡态

是个非平衡态

那么怎么才能实现一个

非的热平衡状态呢

要有个手段来激发

要让粒子大量的处在激发态上

那么这种过程叫做泵浦

或者是抽运

方法有很多种

比如利用额外的激光来激发

或者利用原子碰撞的办法来激发

等等等等

那么如果要实现粒子数反转

工作物质

也就是我们用的这种分子或者是原子

它必须要满足这样的性质

比如第一条

我们用的这个工作物质

至少拥有三个能级

或者三个以上的能级

为什么不能用两个能级呢

因为两个能级不可能实现

粒子数布居的反转

原因是什么呢

如果只有两个能级的话

吸收还有自发辐射

以及受激辐射

三个过程同时存在

那么如果一旦某一个时刻

粒子数布居反转了

激发态粒子数多

那么自发辐射加上

受激辐射的过程就会很快

把这个反转的状态给破坏掉

所以这是不行的

那么三个能级也是有要求的

不是完全的随便三个什么能级

三个能级最上边能级一定要亚稳态

什么叫亚稳态呢

粒子数处在这个能级上

它的自发辐射系数很小

不容易掉下来

这样呢比较容易让大量的粒子

能处在这样的一个状态上边

容易形成一个粒子数的布居反转

那么下能级呢不能是基态

也就是利用激光的

产生激光的这个下能级

它不能是基态

原因是什么呢

原因是这个状态

如果它不是基态

并且它不是亚稳态的话

一旦粒子处在这个状态上

很容易通过自发辐射

或者别的方式跑到基态上去

这样有利于维持粒子数布居反转

因为这个能级上的粒子数很少

比如说是氦氖激光器

我们以它为例

来看一看它是怎么形成的

氦氖激光器分内腔式和外腔式

内腔式实际上就是把反射镜

直接坐到这个腔的里边

将来光在里边不断的反射放大

这就是内腔式

内腔式的好处是

应用起来比较方便

不需要额外的装置

只要把两边一加高压

就可以出现激光

而外腔式呢

是要额外的需要加一个反射镜

来实现

激光在里头不断的反射的放大

那么这里边呢

有一个我们以前讲过的东西

叫做什么 叫做布鲁斯特窗

我们在讲布鲁斯特角的时候讲过

利用它可以有效的提高

激光的效率 减少损失

那么外腔式的好处是什么呢

我可以通过这个反射镜的调整

进一步的达到我的要求

比如说我需要腔的长度更长

或者我需要更好的这种

激光的输出的质量等等等等

缺点是什么呢

你要需要额外的反射镜

所以这个装置用起来

没有这个前一个方便

氦氖激光器工作物质是由

氦气和氖气当中的物质构成的

它的混合比例是5:1—10:1

这么一个比例

氦气是用来做辅助的

氖气才是真正的工作物质

它的工作原理是这样的

氦原子很容易被

加过高压之后的电子碰撞激发

激发之后进入这两个能级

这两个能级都是氦原子亚稳态

不容易自发辐射退激

那么氖原子相对来说

不容易被碰撞激发

但是氦和氖它是很容易碰撞

碰撞的时候

由于氖原子有两个能级

和氦原子能级非常非常接近

在碰撞的过程中

氦原子就很容易把能量

交换给氖原子

这时候氦原子就退激了

氖原子就处在这两个状态上边

那么这两个状态都是亚稳态

它呢可以受激辐射

跃迁到这两个能级上边

那么这两个能级呢

就是所谓的激光器的下能级

因此它可以有效的实现什么呢

三个波长的激光

这个波长是红光

这两个波长都是红外光

然后呢这两个能级

因为它不是亚稳态

很容易就会退激

退到这个状态上面

这样有利于维持我们刚才说的

粒子数反转

之后呢

这个能级到基态呢

是通过氖原子跟气壁碰撞

而实现的退激

这是整个它的原理

那么氖原子我们刚才看到了

它可以出现三条谱线

也就是三个波长的激光

有一个是红光

我们可以拿肉眼看见

又有两个红外光我们是看不见的

下边呢我们就给大家来演示一下

氦氖激光器

下边我们来演示一下氦氖激光器

这两个呢是完全一样的

氦氖激光器的激光管

它们俩结构完全一样

只不过这个大一点

我来跟大家拿它讲解

那我们看到这样的一个东西

这边是有一个阴极

这边有一个阳极

那么等一会儿加上高压之后

里边的电子就会碰撞

其中的氦气跟氖气

氦气很容易被激发

激发之后它跟氖原子气体碰撞

把能量交换给氖原子

那么氖原子处在激发态上

形成了粒子数反转

当氖原子退激的时候呢

就会发出激光

这个激光经过这个激光管里边

来回的反射放大

就从这边出射激光

那么我们注意

里边这个管是很细的

原因是什么呢

因为氖原子发光之后

它并不是回到基态

需要和气壁碰撞

才能回到基态

所以要做一个很细的管来增加

它的碰撞率

我们来看一下具体的情况

经过加了电压之后

就在这里边出射了一个激光

实验回来

那么刚才我们看到

确实在氦氖激光器两侧

加了一个高压之后

它会输出一个红光

这个红光就是这个波长的红光

剩下两个光我们是看不见的

那么它们都是从

亚稳态到非亚稳态的一个过程

这个过程

有利于实现粒子数布居的反转

好 这节我们就讲到这儿

再见

大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)课程列表:

WEEK1

-电荷和库仑定律

--引言

--电荷

--库仑定律

-WEEK1--电荷和库仑定律

-电场及叠加原理,电偶极子

--电场和电场强度

--点电荷电场及叠加原理

--点电荷电场及叠加原理(续1)

--点电荷电场及叠加原理(续2)

--点电荷电场及叠加原理(续3)

-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子

-高斯定律

--电通量

--立体角*

--高斯定律的证明*

--高斯定律和电场线

--高斯定律的应用

--高斯定律的应用(续)

-WEEK1--高斯定律

-WEEK1--本周作业

-week1课件

WEEK2

-静电场环路定理、电势和叠加原理

--环路定理

--电势和叠加原理

--电势和叠加原理(续)

--电势梯度

--等势面

-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理

-静电能

--电荷系静电能

--电荷系静电能(续1)

--电荷系静电能(续2)

-WEEK2--静电能

-导体静电平衡

--物质中电场

--导体静电平衡

--导体静电平衡条件(续1)

--导体静电平衡条件(续2)

-WEEK2--导体静电平衡

-WEEK2--本周作业

-week2课件

WEEK3

-导体周围电场

--有导体时静电场的计算

--有导体时静电场的计算(续)

-WEEK3--导体周围电场

-静电屏蔽

--导体壳与静电屏蔽

-WEEK3--静电屏蔽

-电容及电容器

--电容及电容器

--电容及电容器(续)

-WEEK3--电容及电容器

-电介质

--介质对电场的影响

-WEEK3--电介质

-极化强度矢量,极化电荷

--极化强度

--极化电荷

-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷

-WEEK3--本周作业

-week3课件

WEEK4

-极化规律、电位移矢量

--电介质的极化规律

--电介质的极化规律(续)

--电位移矢量及其应用

--电位移矢量及其应用(续)

-WEEK4--极化规律、电位移矢量

-有介质时静电场能量

--有介质时静电场能量

-WEEK4--有介质时静电场能量

-电流密度、稳恒电流和稳恒电场

--电流密度

--稳恒电流和稳恒电场

-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场

-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

--电动势

--欧姆定律

--欧姆定律(续)

-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

-电流微观图像和暂态过程

--电流微观图像

--电容器的充放电(暂态过程)*

-WEEK4--电流微观图像和暂态过程

-本周作业

--week4--本周作业

-week4课件

WEEK5

-洛仑兹力、磁感应强度

--电流磁效应

--磁场和磁感应强度

-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度

-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

--毕-萨-拉定律

--毕-萨-拉定律(续)

--磁场高斯定律

-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

-静磁场环路定理

--安培环路定理及其应用

--安培环路定理及其应用(续1)

--安培环路定理及其应用(续2)

-WEEK5--静磁场环路定理

-安培力和霍尔效应

--带电粒子在磁场中的运动

--霍尔效应

--安培力

-WEEK5--安培力和霍尔效应

-WEEK5--本周作业

-week5课件

WEEK6

-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩

-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

-磁介质对磁场的影响和原子磁矩

--磁场中的磁介质

--原子的磁矩

-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩

-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

--磁介质的磁化

--磁化电流

--有磁介质时磁化的规律

-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

-WEEK6--本周作业

-week6课件

WEEK7

-铁磁介质和简单磁路

--磁场的界面关系

--铁磁性材料

-WEEK7--铁磁介质和简单磁路

-法拉第电磁感应定律

--法拉第电磁感应定律

--电磁感应定律和磁通连续定理的普适性

-WEEK7--法拉第电磁感应定律

-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

--动生电动势

--感生电动势和感生电场

--涡电流

-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

-自感和互感

--自感

--互感

-WEEK7--自感和互感

-WEEK7--本周作业

-week7课件

WEEK8

-暂态过程和磁场能量

--RL电路的暂态过程

--磁场的能量

-磁场和电场的相对性

--电场和磁场的相对性

-位移电流和麦克斯韦方程组

--麦克斯韦方程组和电磁波

--麦克斯韦方程组

-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组

-电磁波、坡因廷矢量和光压

--电磁波

--坡印廷矢量

--电磁波的动量

--光压——辐射压强

-本周作业

--week8--本周作业

-week8课件

WEEK9

-波动光学—引言

--波动光学——引言

-WEEK9--波动光学—引言

-杨氏双缝干涉、相干光

--光的干涉

--双缝干涉

-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光

-光源及发光性质

--光源的发光特性

--时间相干性

--空间相干性

-WEEK9--光源及发光性质

-光程、等倾和等厚干涉

--光程

--薄膜干涉(一)

--薄膜干涉(二)

-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉

-迈克耳逊干涉仪

--迈克耳逊干涉仪

-WEEK9--本周作业

-week9课件

WEEK10

-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

--惠更斯原理

--单缝夫琅禾费衍射

--单缝夫琅禾费衍射(续)

-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

-光栅衍射

--光栅衍射

--光栅衍射(续)

-WEEK10--光栅衍射

-光学仪器分辨本领

--光学仪器的分辨本领

--光学仪器的分辨本领(续)

-WEEK10--光学仪器分辨本领

-X射线晶体衍射

--X射线的衍射

-WEEK10--X射线晶体衍射

-WEEK10--本周作业

-week10课件

WEEK11

-光的偏振状态和偏振片

--光的偏振状态

--光的偏振状态(续)

--起偏和检偏

-WEEK11--光的偏振状态和偏振片

-反射和折射光偏振

--反射和折射及散射光的偏振

-WEEK11--反射和折射光偏振

-晶体双折射、波片

--双折射

--双折射(续)

--波片

-WEEK11--晶体双折射、波片

-偏振光干涉、人工双折射和旋光

--偏振光的干涉

--人工双折射

--旋光现象

-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光

-量子物理诞生和黑体辐射

--量子物理

--黑体辐射

-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射

-WEEK11--本周作业

-week11课件

WEEK12

-光电效应、光子和康普顿效应

--光电效应

--光子

--光子(续)

--光子(续2)

--康普顿效应

-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应

-物质波、波函数和概率密度

--物质波

--波函数

--波函数(续)

-WEEK12--物质波、波函数和概率密度

-不确定性关系

--不确定关系

-WEEK12--不确定性关系

-薛定谔方程

--薛定谔方程

-WEEK12--薛定谔方程

-一维无限深势阱

--一维无限深势阱

-WEEK12--一维无限深势阱

-WEEK12--本周作业

-week12课件

WEEK13

-一维问题

--一维谐振子

--势垒穿透

--扫描隧道显微镜

-WEEK13--一维问题

-氢原子能级和角动量

--原子中的电子

--玻尔理论发展的基础

--氢原子的量子力学处理

--能量量子化

-WEEK13--氢原子能级和角动量

-电子自旋、费米子和泡利不相容原理

--电子自旋与自旋轨道耦合

--碱金属原子光谱的双线

--微观粒子的不可分辨性

--各种原子核外电子排布

-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理

-WEEK13--本周作业

-week13

WEEK14

-X射线、激光、分子光谱简介

--video

--Video

--分子光谱简介

--激光

--光学谐振腔

-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介

-固体电子气模型和量子统计

--固体

--自由电子气体模型

--量子统计

-WEEK14--固体电子气模型和量子统计

-能带模型

--能带

-能带模型--作业

-本周作业

--WEEK14--本周作业

-week14

WEEK15

-半导体和PN结

--Video

--Video

-WEEK15--半导体和PN结

-原子核性质、核磁共振

--Video

--Video

--Video

-WEEK15--原子核性质、核磁共振

-放射性和衰变规律

--Video

--α衰变

--穆斯堡尔效应

--β衰变

-WEEK15--放射性和衰变规律

-结合能、核力

--核的结合能

--核力

-WEEK15--结合能、核力

-粒子物理简介

--基本粒子

-WEEK15--粒子物理简介

-本周作业

--WEEK15--本周作业

-week15课件

期末考试

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激光笔记与讨论

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