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激光產生原理特性和應用

更新日期:2006-08-19  作者:  來源:

    激光的基本原理

    1、自發輻射與受激輻射

     自發輻射是在沒有任何外界作用下,激發態原子自發地從高能級向低能級躍遷,同時輻射出一光子。hn=E2-E1。

    設發光物質單位體積中處于能級E1,E2的原子數分別為N1,N2,則單位時間內從E2向E1自發輻射的原子數為

    A21為自發輻射概率(自發躍遷率):表示一個原子在單位時間內從E2自發輻射到E1的概率。處于高能級E2上的原子,受到能量為hn= E2- E1的外來光子的激勵,由高能級E2受迫躍遷到低能級E1,同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。稱為受激輻射。

    W21為表示一個原子在單位時間內從E2受激輻射躍遷到E1的概率。

    2、粒子數反轉

    受激吸收與E1的原子數N1成正比,受激輻射與E2的原子數N2成正比。當N2《N1時發生受激輻射遠少于發生受激吸收,是不可能實現光放大的.要實現光放大,必須采取特殊措施,打破原子數在熱平衡下的玻耳茲曼分布,使N2>N1。我們稱體系的這種狀態為粒子數反轉 (或“負溫度”體系)。所以,產生激光的首要條件是實現粒子數反轉。

    能夠實現粒子數反轉的介質稱為激活介質。要造成粒子數反轉分布,首先要求介質有適當的能級結構,其次還要有必要的能量輸入系統。供給低能態的原子以能量,促使它們躍遷到高能態去的過程稱為抽運過程。

    3、光學諧振腔

    在激光器中利用光學諧振腔來形成所要求的強輻射場,使輻射場能量密度遠遠大于熱平衡時的數值,  從而使受激輻射概率遠遠大于自發輻射概率。

    光學諧振腔的主要部分是兩個互相平行的并與激活介質軸線垂直的反射鏡,有一個是全反射鏡,另一個是部分反射鏡。在外界通過光、熱、電、化學或核能等各種方式的激勵下,諧振腔內的激活介質將會在兩個能級之間實現粒子數反轉。這時產生受激輻射,在產生的受激輻射光中,沿軸向傳播的光在兩個反射鏡之間來回反射、往復通過已實現了粒子數反轉的激活介質,不斷引起新的受激輻射,使軸向行進的該頻率的光得到放大,這個過程稱為光振蕩。這是一種雪崩式的放大過程,使諧振腔內沿軸向的光驟然增強,所以輻射場能量密度大大增強,受激輻射遠遠超過自發輻射.這種受激的輻射光從部分反射鏡輸出,它就是激光。沿其他方向傳播的光很快從側面逸出諧振腔,不能被繼續放大。而自發輻射產生的頻率也得不到放大。因此,從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。

    激光的特性

    1、單色性好

    2、方向性好

    3、相干性好

    4、能量集中

    激光的應用

    1、激光測距

    2、激光加工與激光醫療

    3、光信息處理和激光通信

    4、激光在受控核聚變中的應用

    5、激光的非線性效應

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