光的自发辐射 受激辐射、光放大
激光原理第七版答案
激光原理第七版答案
激光，全称为“光电子激发放射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生是通过一系列的物理过程实现的，其中包括受激辐射、自发辐射和受激吸收等过程。
激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。
首先，受激辐射原理是激光产生的基础。
当原子或分子处于激发态时，它们会受到外界光子的刺激而发射出与激发光子同频率、同相位和同方向的光子，这种现象就是受激辐射。
在一个受激辐射过程中，一个光子刺激原子或分子从激发态跃迁到基态，同时激发出一个与刺激光子完全一样的光子。
这些光子在原子或分子中来回反射，形成了光的放大效应。
其次，光放大原理是激光产生的关键。
在激光器中，有一个放大介质，当受激辐射发生时，会引起放大介质中光子数目的急剧增加，从而形成激光。
这种放大效应是通过受激发射和自发辐射相互作用而实现的。
放大介质可以是气体、固体或液体，其选择取决于激光器的具体应用。
最后，谐振腔原理是激光产生的空间条件。
谐振腔是由两个或
多个反射镜构成的，其中至少有一个是半透镜。
这些反射镜的作用是使光在腔内来回反射，并在放大介质中形成光的放大效应。
谐振腔中的光子会在腔内来回传播，直到其中的光子数目增加到一定程度，形成激光。
综上所述，激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。
这些原理相互作用，共同促成了激光的产生。
激光在现代科技中有着广泛的应用，包括激光医学、激光通信、激光加工等领域。
因此，对激光产生原理的深入理解，对于推动激光技术的发展具有重要意义。
固体物理简介
固体物理简介
11
自
E2
发
自 发
辐
辐 射
射
E1
系
(
dN21 dt
)自发
N2 A21
数
受
E2
激
吸
受 激 吸 收
收
E1
系
( dN12 dt
)吸收
k N1 I W12
数
受
激
E2
受 激
辐
辐
射
E1
射 系
(
dN21 dt
)受激
k N2I
B21
数
光波的频率 相位偏振态
自发 辐射
无关
受激 辐射
全同
一般情况下 W12 B21
普通光源一自发辐射 激光光源一受激辐射
一.激光的特性及分类
1. 高方向性 激光发散角极小，可小到 10-4 弧度， 可用于定位，准直，导向，测距等。
比如：投射到月球（38万公里）后，光斑直径仅约2公里 测地球—月球距离精度达几厘米
固体物理简介
3
2. 高单色性
例如：氦－氖激光器的单色性为
< 10-17 m
Ａ21 自发辐射系数
Ａ21 —— 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率
固体物理简介
7
2. 受激吸收
若原子处在某个能量为E1的低能级，另有某个能量
为E2的高能级，当入射光子的能量 h = E2 E1 时，原
子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，
这个过程 —— 受激吸收
设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1(瞬时功率可达 1014 W )
固体物理简介
5
➢ 波长范围： 极紫外 ─ 可见光 ─ 亚毫米
激光的产生与特点
激光的产生与特点一、激光的产生激光的英文名字Laser，所以又称镭射，是受激辐射引起的光放大。
1.三种光辐射过程（1）自发辐射是指高能态粒子自发地向低能态跃迁。
（2）受激辐射是指高能态粒子在外来光子的激发下向低态跃迁。
（3）受激吸收是指低能态粒子吸收外来光子能量向高能态跃迁。
在激光器中是受激辐射，即高能态粒子在外来光子激发下向低能态跃迁，其频率、相位、偏振状态与外来光子相同。
只有受激辐射占优势时，外来光放大以后，才能发出激光，如高能态粒子数为N2，大于低能态粒子数N，时（即N，>N，时），才能把外来光放大，发出激光。
2.必要条件和充分条件产生激光的必要条件是要有使低能态粒子跃迁的激励过程，又称泵浦过程。
产生激光的充分条件是要有小损耗的谐振腔。
3.产生激光的三个条件1）实现粒子数反转。
2）满足阈值条件。
3）满足谐振条件。
泵浦过程实现了粒子数的反转，谐振腔内的两个反射镜，使受激辐射光在其中来回反射，满足阈值条件后发出激光。
二、激光的特点激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，用以自身辐射为基础的光源相比，具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好等特点。
1.单色性好对于单色性，有如下几点说明：1）单色光的波长范围很小，谱线宽度窄，所以，波长范围很小的辐射，谱线宽度越窄的光，其单色性越好。
2）激光是受激辐射，谐振腔有选频作用，所以输出光的谱线宽度很小，因而能具有好的单色性。
3）单色性好的光越易于调制，因而在光通信中得到广泛的应用。
2.方向性好用光的发散角来描写方向性，发散角小，方向性好。
激光的发散角可达10弧度，所以方向性非常好。
3.亮度高高度是指单位面积的光源在给定方向上单位立体角范围内发出的辐射功率。
有书记载：激光可达104W，比太阳的亮度还高出上千亿倍。
4.相干性好相干性是指两束光能够发生干涉，形成明暗相间干涉图缘的特性。
激光是完全相干的，接近电磁波。
所以在光通信、全息摄影、精密测量中得到广泛应用。
自发辐射受激辐射和受激吸收一自发辐射spontaneousradiation
二、光泵（激励源）（optical pumping）
在受激辐射放大过程中，显然将减少处于高 能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立， 从而破坏了粒子数反转状态，为了保持原子系 统的粒子数反转状态，需不断地将原子从低能 态抽运至高能态，需将能量注入原子系统，以 维持激光运转所必需之能量。
——光泵（optical pumping）
光泵可以是电学的，化学的，热学的，光学的方法
三.光学谐振腔(optical harmonic oscillator)
激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。
全反射镜
激励能源
激光
部分反射镜
小结：产生激光的必要条件
ｌ. 激励能源（使原子激发） ２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能
级） ３.光学谐振腔（方向性，光放大，
二．受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ------有光的放大作用。
三 . 受激吸收(absorption) E2 N2
h
E1 N1 上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验汤斯
20世纪50年代，美国科学家汤斯等人，以及原苏联的科 学家普罗克霍洛夫等人独立发明了一种极低噪音微波放大器
——辐射受激发射微波放大器（maser）
1958年美国汤斯和肖洛提出，在一定条件下，可将上述 微波激射器的原理，推广至光波段。
——受激发射光波放大器（laser）
单色性）
§3 激光的主要特性 ★方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。 ★相干性极好的光束
自发辐射与受激辐射的区别并总结激光的原理、特点、分类
1、自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去,同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。
受激辐射：当原子处于激发态E2时,如果恰好有能量 (这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。
区别：与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子.受激辐射光是相干光。
受激辐射光加上原来的外来光,使光在传播方向上光强得到放大。
自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。
2、试总结激光的原理、特点、分类1）原理激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。
光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。
但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时,总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。
要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位.2）特点主要特点：定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极高其他特点：激光是单色或单频的;激光是相干光,其所有的光波都同步，整束光就好像一个“波列”；激光是高度集中的,即它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象.3）分类按工作介质的不同来分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器.按激光输出方式的不同分类：连续激光器和脉冲激光器。
（其中脉冲激光的峰值功率可以非常大）按发光的频率和发光功率大小分类等。
第二章激光产生的原理
第二章激光产生的原理激光（laser）是一种特殊的光，与普通光不同，具有高度的单色性、相干性和直挺性。
激光的产生原理可以归结为三个基本步骤：受激辐射、光放大和自发辐射。
下面将详细介绍这三个步骤。
1. 受激辐射（stimulated emission）受激辐射是激光产生的基础步骤。
当一个原子或分子处于激发态时，它可以通过与一个已经激发的原子或分子相互作用，使其跃迁到更低的能级并释放出一个与已经存在的光子相同的光子。
这个过程类似于一个“决定性的薪水”，因为刚发射的光子的频率和相位与已经存在的光子完全一致。
这种释放出与已有光子相同的光子的原子或分子被称为“受激辐射源”。
受激辐射的发生需要两个已激发的原子或分子相遇并发生耦合。
为了增加受激辐射的概率，需要将大量的原子或分子引入到激发态。
这可以通过能量输入的方式，如电击、光照等来实现。
2. 光放大（optical amplification）光放大是指将弱的光信号经过一定的方式和介质放大成为强光的过程，主要是通过受激辐射来实现。
在激光器中，光通过一个介质（如激活剂）时，如果该介质中有足够多的原子或分子处于激发态，那么入射光子与受激辐射源相互作用时，即会受到受激辐射并发射出相同频率和相位的新光子。
这样就形成了一个光子链反应，既光子会不断地通过原子或分子的相互作用来产生新的光子。
这个过程导致光子数目呈指数增长。
同时，这个过程也导致光子的相位一致，即光波是相干的。
而且，由于受激辐射只与入射光子的波长频率和相位有关，所以光放大过程不会引起光子的频率和相位的改变。
因此，光放大得到的光具有高度的相干性和纯净度。
3. 自发辐射（spontaneous emission）自发辐射是与受激辐射相反的一种现象。
自发辐射是指原子或分子在激发态自发发射出光子的过程。
自发辐射与受激辐射不同，它是完全单个的、随机的，独立于入射光子的存在或者其他光子的存在。
自发辐射产生的光子频率和相位是随机的。
第7讲 光的受激辐射放大
方法1： 方法2：
I (z dz) S I (z) S dI S
dN
st
dN
ab
h
S
I (z)
I (z dz)
z z dz
dN ,dN
st
ab
分别为体积 V
内受激辐射增加的光子数和
受激吸收减少的光子数。
7.1 实现受激辐射放大的条件
I
I e0LGdz 0
L Gdz
0
10 0
A cos2
kz dz
A 2
10
1 2k
sin 20k
这里k的单位为cm-1.
定义：
nul
nu
gu gl
nl
称为反转粒子数密度
则：
dI Idz
nul Bul
h
c
实现受激辐射光放大的条件
dI 0 dz
nul 0
7.2 增益介质内光强的变化规律
增益系数G
定义为：介质内单位长度光强增加的百分比。用公式表
示为：
G dI Idz
G>0的介质，称为增益介质。
7.2 增益介质内光强的变化规律
dN st
dnu dt
st
V
Bul nu
S
dz
dN ab
dnl dt
ab
V
Blu nl
S
dz
因此，根据方法2最终得到：
=(nu Bul nl Blu ) h S dz
激光发射原理
激光发射原理
激光是一种光的形式，其发射是通过激光器实现的。
激光器的发射原理基于受激辐射和光放大的过程。
首先，激光器中存在一个激光介质，比如气体、固体或半导体等。
这个介质包含能够吸收能量的原子或分子。
第二，激光器中有一个能量源，比如闪光灯、电流或其他激发源，用来提供能量。
在激发源的作用下，激光介质中的原子或分子会被激发到一个高能级。
这些激发态的原子或分子是不稳定的，它们会迅速回到基态，并释放出能量。
在这个过程中，有些原子或分子会释放出光子，而这些光子与其他处于激发态的原子或分子之间的能量差相等。
第三，当激光介质中的原子或分子释放出光子时，这些光子在介质内发生多次碰撞，激发更多原子或分子到激发态。
这种现象被称为受激辐射，它可以导致光子数量不断增加而形成一个光子密集的系统。
第四，激发态的原子或分子会通过自发辐射回到基态。
在回到基态的过程中，它们会以同样的能量差再次释放出光子。
最后，当光子数量达到一个临界值时，即时它们发生在不同位置和方向上的碰撞，它们的相干性会增强。
这就是光子的共振放大效应。
通过反射器或增透镜等光学元件对光子进行光程延迟和调节，最终可以实现激光的聚焦、定向和发射。
总之，激光的发射原理基于激光介质中的受激辐射和光放大过程。
这种过程利用激发源提供的能量，通过原子或分子的激发态和基态之间的跃迁来产生相干的、高强度和单色性的光束。
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非相干光。
二、受激辐射和受激吸收
1）受激吸收 （共振吸收, 光的吸收）
处在低能级E1的原子受到
E2 能量等于h=E2-E1的光子
h
的照射时，吸收这一光子
E1 跃迁到高能级E2的过程。
n1 —— t时刻处于能级E1上的原子密度为
dn12 dt
——单位时间内由于吸收光子从低能级E1 吸 跃迁到高能级E2的原子数密度
大功率激光器 I 109 1017Wcm2sr 1
可使一切金属熔化
可使一切非金属化为一缕青烟
二、激光的应用
粒子数反转分布
激光是受激幅射的光，但还存在自发幅射和吸收， 要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大
根据玻尔兹曼 能量分布律
N e 2
( E2 E1 ) kT
N1
热动平衡下， N2N1，即处于高能级的原子数
大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布
受激辐射占支配地位粒子数反转
高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
激光
14-5 光的自发辐射 受激辐射、光放大
光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射 和受激辐射三种过程。
一、原子的自发辐射
在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从
高能级E2向低能级E1跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件：h=E2-E1
E2
•
E2
h
E1
E1 •
随机过程，用概率描述。
n2—— t时刻处于能级E2上的原子数密度
我国第一台红宝石激光发射器
激光发射器---氦氖红光
氩离子激光器
14-7 激光的特性与应用
一、激光的特性
一）高度单色性
激光所包含的波长或频率范围极小
He-Ne Laser
中心波长 6328 A
波长范围： 108 A
Laser
又如单色性最好的氪灯，其中心波长60576埃
波长范围： 4.7 102 A
粒子数正常分布是： 能 E4 量 E3
E2
N2
粒子数反转状态
E2
N2
E1
N1
E1
N1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成 粒子数反转的状态。
实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有
适当的能级结构； 必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的
粒子处于激发态。（激励或泵浦）
二）高度相干性
相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。 相干性越好则光场中任取两点作光源 所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。
由德布罗意关系式
h p
hp p2
越小(谱线宽度越窄) p越小
杨氏 双缝干涉
又由海森伯不确定关系式
px x
2
x
2px
x越大
即激光光波有很好的相干长度
圆孔衍射
I
r
注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。 二者是统一的.
氦氖激光器的结构
M1
布儒斯特窗
M2 激光
100反射
He,Ne 电源
99反射 1透射
激光器细玻璃管内充有氦和氖气激活介质, 与激光管 的轴严格垂直的两个反射镜(M1:100反射、M2:99 反射1透射)构成光学谐振腔：维持光子振荡放大, 使 激光有良好的方向性和相干性；反射镜两端距离控制其
间驻波的波长，因而激光有极高的单色性。
（100%反射镜）
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
光学谐振腔的作用：
1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。
激光器
工作物质：具有亚稳态能级结构 光学谐振腔：维持光振荡 激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光
He-Ne 气体激光器
激励方法：光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)
只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转
E4
E4
E3
E3
工作跃迁
E2
E2
E1
(a)
E1
(b)
粒子数反转的实现
He 21S
23S
Ne
5S
20.66eV
3.39
6328Å
4S
碰撞转移 19.78eV
1.15
4P
20.30eV
三）高度准直性(方向性好---激光的发散角小。)
r
l
激光器
r =2~5mrad（毫弧度）
l (1km时光斑直径10m) Laser
He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器
=0.031mrad =410-5mrad
D=1.6km
四）亮度高、能量集中 10mW的功率He-Ne激光器竟产生了比太阳大几千倍 的辐射亮度
dn12 dt
吸
K
B12 I n1
比例系数 入射光强
受激吸收系数
令 W12 K B12 I
则 W12
dn21 dt
吸
1 n1
受激吸收跃迁概率
2）受激辐射 处在高能级E2的原子，受到能量为h=E2-E1的
外来光子的激励，由高能级E2受激跃迁到低能级E1， 同时辐射出一个与激励光子全同(即频率、相位、
dn21 ——单位时间内从高能级E2自发跃迁到低
dt 自
能级E1的原子数密度
dn21 dt
自
A21n2
A21
dn21 dt
自
1 n2
A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个
原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率
自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏
振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是
dn21 dt
受
1 n2
受激辐射跃迁概率
W21——表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率
14-6 激光原理
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光Laser——受激辐射光放大 引言：
自从美国人梅曼制造出第一台激光 器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开 刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还 有激光照排、激光美容等….。激光首先是应用在 军事上。现代战争离不开激光。
3P
18.70eV
电子碰撞 3S
16.70eV
11 S
2P
He、Ne原子部分能级图
光学谐振腔
激发态
受激辐射
原子
自发辐射
实现粒子数反转 分布的激活介质
光
学
谐
振
Байду номын сангаас
腔
全反射镜
（100%反射镜）
基 态 辐射的光的位相、 偏振状态、频率、 传播方向是随机的。
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
光
学
谐
振
腔
全反射镜
偏振状态、传播方向等均同)的光子。
E2
h E1
(a)受激辐射
E2 h h
E1
(b)受激辐射的光放大
dn21 dt
——单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能
受
级E1的原子数密度
dn21 dt
受
K
B21 I n2
激励光强
比例系数 受激辐射系数（由原子本身性质决定）
令 W21 K B21 I
则 W21