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激光理论培训
培训的目的:模糊业余
了解激光发展史
激光如何产生的
一、激光器的产生和发展
二、激光的相关名词解释
三、激光的原理简介
四、产生激光的五个条件
五、激光的特性
六、激光器的结构
七、激光器的种类
一、激光器的产生和发展
激光学是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科,是继原子能、计算机和半导体技术之后的重大科技成果之一。被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。
1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。
1960年梅曼(Theodore Maiman)成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器,,脉能400mJ的相干光,被称做激光。为了表明其威力,Maiman用毫米波的脉冲激光在一打剃须刀片上成功地进行了一次钻孔实验。
1961年, Java等研制成功了波长1150nm、近红外线的氦氖(He-Ne)激光器;同年,Johnson发明了掺铷钇铝石榴石(Nd :YAG)激光器;
1962年, t研制成功了波长为488nm的氩(Argon)激光器;
1964年, Pate等又发明了二氧化碳(CO2)激光器。随后,多种固体、气体和半导体激光器相继问世,标志着一门新兴学科——激光技术的形成。
1961年我国研制出第一台红宝石激光器。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
二、激光的相关名词解释
原子处在激发态时间很短10-8s,但有些物质还有一些亚稳态,可以停留10-3s,
在亚稳态上粒子数不断积累,实现粒子数反转,达到光放大的目的。
技术上要实现粒子数反转,一定要有能实现粒子数反转的物质,称为工作物质。
这种物质存在比一般激发态稳定得多的能级,平均寿命可达10-3~1s的数量级,称亚稳态。
当原子内所有电子处于可能的最低能级时,整个原子的能量最低,我们称原子处于基态。当一个或多个电子处于较高的能级时,我们称原子处于受激状态。电子可通过吸收或释放在能级之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕

注释:受激吸收低能级E1的粒子当吸收一定频率的外来光能时,粒子的能量就会增加,粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上,这一过程叫做受激吸收。

注释:处于高能级的粒子很不稳定,不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例,在高能级停留的时间只有10-8秒(粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命,寿命长的为亚稳态能级)。因此,在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上。
这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的,其过程全无外界的影响,彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差,方向散乱。
,并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相,此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最後就变成两个相同的光子。
注释1:受激辐射是处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下,跃迁到低能级,并辐射出一个和入射光子同样频率的光子过程。通过一次受激辐射,一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了,或者说光被放大了。
注释2:处于高能级E2的电子在外来光场的感应下(感应光子的能量hvn = E2 --E1)发射一个和感应光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1,该过程称为光的受激辐射过程。
受激辐射的特点本身不是自发跃迁,而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样,无法区别出哪一个是原来的光子,哪一个是受激发后而产生的光子,受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例,因而在受激辐射以后,光辐射能量增大一倍。以波动观点看,设外来光子为一种波,受激辐射产生的光子为另一种波,由于两个波的相位、振动方向,传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍,即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多,受激发的粒子数越多,产生的光子越大,能量越高。
受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系,是在同一整体之中相互对立的两个方面,它们发生的可能性是同等的,这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位,取决于粒子在两个能