当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK14 > X射线、激光、分子光谱简介 > 激光
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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
-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
-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
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-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
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-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
-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
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-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
-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
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-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
--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
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-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
-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
-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
-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
--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
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--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
-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
-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
-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
-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
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--光的偏振状态
--起偏和检偏
-WEEK11--光的偏振状态和偏振片
-反射和折射光偏振
-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
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--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
-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
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--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
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--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
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--扫描隧道显微镜
-WEEK13--一维问题
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-WEEK13--氢原子能级和角动量
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-WEEK13--本周作业
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--video
--Video
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--光学谐振腔
-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
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--量子统计
-WEEK14--固体电子气模型和量子统计
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-本周作业
--WEEK14--本周作业
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--Video
--Video
-WEEK15--半导体和PN结
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--Video
--Video
--Video
-WEEK15--原子核性质、核磁共振
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--Video
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--β衰变
-WEEK15--放射性和衰变规律
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--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
-期末考试--期末考试题Part1
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-期末考试--期末考试Part3