在物质发光和光吸收过程中在物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程主要涉及三种过程:受激吸收受激吸收,自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射一、受激吸收、自发辐射和受激辐射一、受激吸收、自发辐射和受激辐射E2E1N2N1h 外来光有可能被吸收，使原子从外来光有可能被吸收，使原子从E1E2 .单位体积中单位时间内因吸收外单位体积中单位时间内因吸收外来光而从来光而从E1E2 的原子数：的原子数：1、受激吸收、受激吸收 设设 N1 、N2 单位体积中单位体积中处于处于E1 、E2 能级的原子数能级的原子数 单位体积单位时间内，从单位体积单位时间内，从E2 E1自发辐射的原子数自发辐射的原子数： E2E1N2N1h 处于高能级处于高能级E2的原子自发地向低能级的原子自发地向低能级E1跃迁而放出光子跃迁而放出光子写成等式写成等式 2、自发辐射、自发辐射E2E1N2N1全同光子全同光子h 处于高能级处于高能级E2的粒子在外来辐射的作用下的粒子在外来辐射的作用下,跃迁回低能跃迁回低能级级E1,同时发射一个与外来辐射相同频率的光子同时发射一个与外来辐射相同频率的光子.外来光频率满足外来光频率满足:单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E E受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：3、受激辐射、受激辐射处于热平衡下的粒子处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布满足玻耳兹曼分布 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数之比，则两能级上的原子数之比: 即能级越高即能级越高,粒子数越少粒子数越少. 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;二、激光的形成二、激光的形成1、粒子数反转、粒子数反转从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。也可能引起吸收过程。必须必须 N2 N1（ 粒子数反转）。粒子数反转）。根据爱因斯坦辐射公式可得根据爱因斯坦辐射公式可得W21=W12产生激光必须产生激光必须 (2) 能源输入系统能源输入系统(称为泵或抽运称为泵或抽运)能不断的将能量输送给激活介质，将原子有低能级激能不断的将能量输送给激活介质，将原子有低能级激发到合适的高能级，从而实现粒子数反转发到合适的高能级，从而实现粒子数反转(1) 能实现粒子数反转的介质（激活介质）能实现粒子数反转的介质（激活介质）2、实现粒子数反转的条件、实现粒子数反转的条件亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能级寿命级寿命很短（很短（10-8s）。而亚稳态能级的寿命可）。而亚稳态能级的寿命可达达ms甚至甚至s数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的条件。条件。三能级系统三能级系统E3与与E1构成一个宽吸收带构成一个宽吸收带,E3上的原子无辐射跃迁上的原子无辐射跃迁到到E2 , E2与与E1构成粒子数构成粒子数反转反转,三能级体系效率不三能级体系效率不高高.四能级系统四能级系统E3 E1寿命短寿命短, E2 是亚稳态是亚稳态,因此能容易实现因此能容易实现E2与与E1能能级的粒子数反转级的粒子数反转,四能级四能级体系效率高体系效率高激激励励抽抽运运E1E2E3A21W12W21激激励励抽抽运运A21W12W21E1E2E3E03、能实现粒子数反转的能级系统、能实现粒子数反转的能级系统3激光器的结构激光器的结构激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光(2).光学共振腔光学共振腔 (1).工作物质：能实现粒子数反转并产生光放大工作物质：能实现粒子数反转并产生光放大作用：作用：产生和维持光振荡。产生和维持光振荡。 控制光振荡，使激光以特定的频率输出。控制光振荡，使激光以特定的频率输出。(3) 泵：为工作物质提供能量，使其实现并维持粒子数反转的装置泵：为工作物质提供能量，使其实现并维持粒子数反转的装置三、激光的特性及其应用三、激光的特性及其应用1、激光的特性、激光的特性方向性好方向性好 激光能量集中在其传播方向上。其发散角很激光能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为小，一般为10-510-8球面度。球面度。 亮度高亮度高 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度比沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度比蜡烛大蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。亿倍。单色性好单色性好 如如HeNe激光器发射的激光器发射的632.8nm的谱线宽度的谱线宽度仅为仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。可用作光频计时标准。相干性好普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有相干性好普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。普通光源大几个数量级。 2、激光的应用、激光的应用激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科，主要分为以下几类：激光焊接激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光切割激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 激光打标激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光热处理激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。激光化学：激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上，分子身上， 触发某种预期的反应。触发某种预期的反应。2、激光的应用、激光的应用激光医疗：激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。者则以激光作为能量载体。激光武器：激光武器：激光测距仪是激光在军事上应用的起点，激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在的原因，激光雷达不存在“盲区盲区”，因此尤其适宜，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补充。还有精确的激光制导导弹，线电雷达的有力补充。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。2、激光的应用、激光的应用