01__第一章_激光原理与技术

激光测量技术Laser Measurement Technology

第一章 激光原理与技术§1.1 辐射理论概论一、光量子学说及波粒二象性几何光学 波动光学 电磁理论 量子理论 微粒说 波动说

电磁说量子说

光电效应与光量子学说1900年普朗克(Max Plank)提出辐射能量量子的概念

他在对黑体辐射实验进行理论解释的时候发现，必须大 胆的假设：黑体辐射的能量是不连续的，存在一 个最小的能量单元，这就是量子。空腔辐射体

1905年爱因斯坦(Albert Einstein)在解释光电效应实 验的时候进一步提出：

光也是由最小能量单元h -光子组成

思考题 思考题 1、光能否作为火箭动力?

2、光在传播过程中是否受重力影响? 3、光照射到物体上,是否有压力？太阳帆的原理是什么？

太阳能

光动力火箭

二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布1.原子能级玻尔理论:(1)原子内的电子非沿着任意轨道，而是沿 着具有一定半径或能级的轨道运动。

定态、基态、激发态(2)原子内的电子可由某一定状态跃迁到另 一定态，这一过程要吸收和辐射辐射能。 (3)对于原子内的电子可能存在的状态有一 定限制，即电子的轨道运动的角动量必须 满足玻尔的量化条件P = n h 2

跃迁：

跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。 吸收跃迁： 低 辐射跃迁： 高(自发辐射) 吸收能量

高

辐射能量

h = E1 2 E低

2.简并度、简并能级电子运行的状态不同，其能量相同 能量相同的能级对应不同的电子运动状态 简并度 同一能级对应的不同的电子运动状态的数目

简并能级电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有 相同的能级，这样的能级叫简并能级

3.玻尔兹曼分布由大量粒子所组成的系统在热平衡状态下粒子 按能级的分布规律

N i i e g

E i kT

分别处在Em和En能级的粒子数目：N m / g m = e N n/ g n Nm< Nn gm gnEm n E kT

由 Em > En

结论高能级的粒子数目少于低能级的粒子数目

三、光与物质的相互作用1917年，爱因斯坦提出受激辐射新概念 ——奠定了激光发明的理论基础 爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体 和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡， 还必须存在受激辐射。

预示了利用受激辐射来放大(振荡)光的可能性！ 但当时的技术和生产水平根本没有这种需要(无线 电技术刚刚开始，光学技术处于初级阶段)激光不 可能超越时代在当时被发明。

自发辐射、受激吸收和受激辐射1.自发辐射E2 E1发光前

h 发光后

h = E2 1 E普通光源(日光灯、高压水银灯)的发光过程为自发辐 射。各原子自发辐

射发出的光彼此独立，频率、振动方 向、相位不一定相同——为非相干光。

激光原理 . 第一章

2.受激吸收

E2 E1吸收前

h 吸收后

h = E2 1 E

3.受激辐射 E2E1发光前

h 发光后

h h

h = E2 1 E

当外来光子的频率满足 h = E2 1时，使原子中处于高 E 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征(频率、相 位、振动方向及传播方向均相同)。 受激辐射光子与入射光子属同一光子态。

相干光

当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程

当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种过程自发辐射 受激辐射 受激吸收

光场能量

粒子能量

可能达到平衡

也可能达不到平衡

§1.2 激光产生的原理及条件

LaserLight Amplification of Stimulated Emission of Radiation

“受激辐射光放大”

一、粒子数反转分布及泵浦过程1.粒子数反转分布要使介质对光产生放大作用，必须使受激辐射超过受激吸收;

二者几率分别与上能级粒子数密度和下能级粒子数密度成正 比。

粒子数分布反转是介质对光放大作用的条件及产生激光的前提

h 受激吸收

E2

h 受激辐射

E1

h h

2.泵浦(抽运)

定义：使两个能级实现粒子数反转的过程

E2泵 浦

E3hν

自发辐射 或其他释 放能量方 式

E1

h h

受激辐射