畢業(yè)論文--激光原理與應(yīng)用技術(shù)簡介-文庫吧
2025-05-16 08:27 本頁面
【正文】 性?；诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦?，它必然相干性極好， 激光的這一特性使全息照相成為現(xiàn)實(shí)。 2. 激光原理 激 光 產(chǎn)生的物理 基礎(chǔ) 光子基本性質(zhì) 光量子學(xué)說認(rèn)為，光是一種以光速 c 運(yùn)動的光子流，光子和其他基本粒子一樣 ，具有能量、動量和質(zhì)量。它的粒子屬性和波動屬性之間的關(guān)系如下： ⑴ 光子能量 E與光波頻率 ? 對應(yīng) E=h? ； ⑵ 光子具有運(yùn)動質(zhì)量 m，并可表示為22Ehm cc???，光子的靜止質(zhì)量為零； ⑶ 光子的動量 P 與單色平面波的波矢 k 對應(yīng) Pk? ； ⑷ 光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向； ⑸ 光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。 上述基本關(guān)系式為康普頓散射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，并 3 在現(xiàn)代量子電動力學(xué)中得到理論解釋。量子電動力學(xué)從理論上把光的電磁理論和光子理論在電磁場量子化的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來，闡 明了光的波粒二象性 [2]。 光的受激輻射 過程 光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理 基礎(chǔ)。愛因斯坦 認(rèn)為光和物質(zhì)原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。為了簡化問題，我們只考慮原子的兩個(gè)能級 1E 和 2E ， 則 21E E h??? ⑴ 如圖 1 所示。 ⑴ 自發(fā)輻射 處于高能級 2E 的一個(gè)原子自發(fā)地向低能級 1E 躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為 h? 的光子，這種過程稱為自發(fā)輻射過程，如圖 2 所示。 2E 1E 1E 自 發(fā) 輻 射 光21h E E? ?? 2E 圖 2 原子自發(fā)輻射 1E 2E 圖 1 二能級原子能級圖 4 ⑵ 受激輻射 處于高能級 2E 的原子在滿足 21()E E h? ?? ⑵ 的輻射場作用下，躍遷至低能級 1E 并輻射出一個(gè)能量為 h? 且與入射光子全同光子，如圖 3 所示。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。 ⑶ 受激吸收 受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級 1E 的一個(gè)原子，在頻率為 ? 的 輻射場作用下吸收一個(gè)能量為 h? 的光子，并躍遷至高能級 2E ，這種過程稱為受激吸收，如圖 4 所示。 受激輻射和自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于相干性。自發(fā)輻射是不受外界輻射場影響的自發(fā)過程，因此，大量原子的自發(fā)輻射場的相位是無規(guī)則分布的，因而是不圖 3 原子受激輻射 原子吸收入射光子并躍遷至高能級 入射光 21hv E E?? 1E 1E 2E 2E 圖 4 原子受激吸收 2E 2E 入射光 21h E E??? 1E 1E 入射光 21h E E??? 受激輻射 21h E E? ?? 5 相干的；受激輻射是在外界輻射場控制下的發(fā)光過程，受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，特別是大量粒子在同一輻射場激勵下產(chǎn)生的受激輻射處于同一光場模式或同一光子態(tài)，因而受激輻射是相干的 [2]。 激光產(chǎn)生的基本原理和方法 光學(xué)諧振腔及其選模和反饋?zhàn)饔? 由受激輻射和自發(fā)輻射相干性可知，相干輻射的光子簡并度很大。根 據(jù)黑體輻射源的光子簡并度關(guān)系式： 11BhkTEn he ????? ⑶ 在室溫 T=300K 的情況下，對于 ? =30cm 的微波輻射， 310n? ；對于 60 m??? 的遠(yuǎn)紅外輻射， 1n? ； 對于 m??? 的可見光輻射， 3510n ?? ?？梢姡胀ü庠丛诩t外和可見光波段實(shí)際上是非相干光源。應(yīng)用黑體輻射的普朗克公式和愛因斯坦系數(shù)的基本關(guān)系式 ⑴ 可改寫為 21 21321 2138B Wnh AAc ??????? ? ? 由此式可以看出，如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內(nèi)某一特定模式的 ?? 很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡并度。也就是說，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)，而不是平均分配在所有模式中。由 ⑵ 式 可知，在同一熱力學(xué)溫度下，頻率越?。úㄩL越長）的光，光子簡并度越大，相干性越好。要是光子簡并度高進(jìn)而相干性越好，需要波長盡量長，溫度盡量高。受激輻射和自發(fā)輻射分別產(chǎn)生相干和非相干光子，若能設(shè)法使某一模式的 ?? 大大增加，而其他的則大大減少，則此特定 模式的光子簡并度 n 就會大大增加。激光器就是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收等來提高光子簡并度，從而達(dá)到產(chǎn)生激光的目的。 光腔選模作用 :為了減少腔內(nèi)光場模式數(shù)，將一個(gè)充滿物質(zhì)原子（或分子）的柱體腔（黑體）去掉側(cè)壁，只保留兩個(gè)端面壁，形成開腔。如果端面壁對光的反射系數(shù)很高，則沿垂直端面的腔軸方向傳播的光在腔內(nèi)多次反射不逸出腔外， 6 而所有其他方向的光則很容易逸出腔外。這相當(dāng)于在腔內(nèi)能夠存在的光場模式只有少數(shù)幾個(gè)，達(dá)到了光波模式的選 擇作用。 光腔的反饋?zhàn)饔?:光放大器在許多大功率裝置中廣泛地用來把弱的激光束逐級放大，但在光放大的同時(shí)通常還存在著光的損耗，根據(jù)研究光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)定的極限值只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強(qiáng)無關(guān)。特別是，不管初始光強(qiáng)多么弱，只要放大器足夠長，就總能形成確定大小的光強(qiáng)穩(wěn)定極限值，而實(shí)際上，既不需要給激活物質(zhì)輸入一個(gè)弱光信號，也不需要真正把激活物質(zhì)的長度無限增加，而只要在具有一定長度的光放大器兩端放置前述的光學(xué)諧振腔。這樣，沿軸向傳播的光波模在兩反射鏡間往返傳播，就等于增加放大器長度。這種作用稱為光學(xué)諧振腔的反饋 作 用 [2]。 光的受激輻射放大條件 實(shí)現(xiàn)光放大的兩個(gè)條件： ⑴ 激勵能源 —— 把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級抽運(yùn)到高能級去； ⑵ 增益介質(zhì) —— 能在外界激
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