激光原理第二节课

激光原理与应⽤教案

激光原理与应⽤教案

⼀. 绪论

本节课教学⽬标：

让学⽣了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。

让学⽣了解激光科学的分⽀及激光在军事、信息技术、医疗等⽅⾯的应⽤；

本节课教学内容：1．激光的概念：

激光——利⽤受激辐射的光放⼤。LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

2．激光的发现：

最早在1917年——Einstein⾸次预⾔受激辐射激光，历史上⾸先在微波波段实现量⼦放⼤（1953），1954年——C. H.Townes, I. P. Gorden, H. J. Zeiger 使⽤NH3分⼦射束实现Maser向更短波长进发——ammonia beam maser，1958年——A.L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB提出将Maser原理推⼴到光波段——laser，1960年——T. H. Maiman of Bell Lab红宝⽯⾸次实现laser l=6943? 红光（早期的名称：莱塞、光量⼦振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。61年中国（亚洲）第⼀台激光器诞⽣在长春（长春光机所和光机学院），由王之江院⼠发明。

激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，⽆线电电⼦学。推动⼒——⼴阔的应⽤领域：核聚变，加⼯，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——⾼时间、空间分辨、能量分辨。3．激光与普通光源的区别？

（1）良好的单⾊性。单⾊性指光源发射的光波长范围很⼩，测距。

（2）良好的⽅向性。激光的光束⼏乎只沿着⼀个⽅向传输。测距，通信。（3）⾼亮度。激光功率集中在极⼩的空间范围内。切割，⼿术，军事。

（4）极好的相⼲性。各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。精确测距。4．激光的应⽤。

（1）信息科学领域。激光雷达，空间通信。

1.3 什么是时间相干性和空间相干性？怎样定义相干时间和相干长度?

时间相干性：光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性，描述的是光束传

播方向上的各点的相位关系，与光束单色性密切相关。

空间相干性：光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性，描述的是垂直于光

束传播方向的平面上各点之间的相位关系，与光束方向性密切相关。

相干时间tc，即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间

间隔。相干长度Lc指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大

空间间隔。二者实质上是相同的。

Lc=tc∙c=C∆ν

1.4 为使He-Ne激光器的相干长度达到1Km，它的单色性∆𝛌/𝛌𝟎应是多少？

Lc=C∆ν⁄=1Km ∆ν=3×105Hz

∆λ

λ0=∆ν

ν0=∆νc∙λ0=6.328×10−11

2.3 如果激光器和微波激射器分别在𝛌=𝟏𝟎𝛍𝐦、𝛌=𝟓𝟎𝟎𝐧𝐦和𝛎=𝟑𝟎𝟎𝟎𝐌𝐇𝐳输

出1W连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？

W=Pt=nhν

当 λ=10μm 时， ν=cλ=3×1013Hz n=5.03×1019

当 λ=500nm 时， ν=cλ=6×1014Hz n=2.51×1018

当 ν=3000MHz 时， n=5.03×1023

2.4 设一对激光能级为𝐄𝟐和𝐄𝟏(𝐟𝟐=𝐟𝟏),相应频率为𝛎（波长为𝛌），能级上的粒子

数密度分别为𝐧𝟐和𝐧𝟏，求：

（1）当𝛎=𝟑𝟎𝟎𝟎𝐌𝐇𝐳，T=300K时𝐧𝟐𝐧𝟏⁄=？

（2）当𝛌=𝟏𝛍𝐦，T=300K时𝐧𝟐𝐧𝟏⁄=？

（3）当𝛌=𝟏𝛍𝐦，𝐧𝟐𝐧𝟏⁄=𝟎.𝟏时，温度T=？

（1）E2−E1=hν=1.99×10−24 𝐽 𝑘𝑏=1.38×10−23𝐽𝐾⁄ n2n1=f2f1e−(E2−E1)kbT=0.9995

1激光原理及应用部分课后答案1-4为使He-Ne激光器的相干长度达到1KM，它的单色性0应是多少？2-2当每个模式内的平均光子数（光子简并数）大于1时，以受激辐射为主。2-3如果激光器和微波激射器分别在um10m500n和z3000MH输出1W连续功率，问美秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？2-4当一对激光能级为E2和E1（f1=f2），相应的频率为v（波长为），能级上的粒子数密度分别为n2和n1,q求：（1）当v=3000MHZ，T=3000K时，n2/n1=？（2）当=1um，T=3000K时，n2/n1=？（3）当=1um，n2/n1=0时，温度T=？解：

22-5激发态的原子从能级E2跃迁到E1时，释放出=5um的光子，求这个两个能级的能量差。若能级E1和E2上的原子数分别为N1和N2，试计算室温T=300K的N2/N值。2-7如果工作物质的某一跃迁是波长为100nm的远紫外光，自发辐射跃迁概率1621s10A，试问：（1）改跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B21是多少？（2）为使受激辐射跃迁概率比自发辐射跃迁概率大三倍，腔内的单色能量密度应为多少？2-9某一物质受光照射，沿物质传播1mm的距离时被吸收了1%，如果该物质的厚度是0.1m,那么入射光中有百分之几能通过该物质？并计算该物质的吸收系数。

32-10激光在0.2m长的增益介质中往复运动过程中，其增强了30%。求该介质的小信号增益系数0G。假设激光在往复运动中没有损耗。3-2CO2激光器的腔长L=100cm,反射镜直径D=1.5cm,两镜的光强反射系数分别为r1=0.985,r2=0.8.求由衍射损耗及输出损耗所分别引起的，。3-4，分别按下图中的往返顺序，推导近轴光线往返一周的光学变换矩阵DCBA，并证明这两种情况下的）（DA21相等。

43-5激光的谐振腔由一面曲率半径为1m的凸面镜和曲率半径为2m的凹面镜组成，工作物质长0.5m,其折射率为1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。3-6设光学谐振腔两镜面曲率半径为R1=—1m.,R2=1.5m,试问：腔长L在什么范围内变化时该腔为稳定腔。

思考练习题1

1． 试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射＝0.5000m，=3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？

答：粒子数分别为：188346341105138.21031063.6105.01063.61chqn

239342100277.51031063.61hqn

2．热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，设21gg，求：(1)当原子跃迁时相应频率为＝3000MHz，T＝300K时n2/n1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长＝1，n2/n1＝0.1时，则温度T为多高？

答：（1）(//mnEEmmkTnnngeng）则有：1]3001038.11031063.6exp[2393412kThenn

（2）KTTennkTh3623834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[

3．已知氢原子第一激发态(E2)与基态(E1)之间能量差为1.64×l0－18J，设火焰(T＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g1＝g2。求：(1)能级E2上的原子数n2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n2，求光的功率为多少瓦？

答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4nnegngnkTh

且202110nn

可求出312n

（2）功率＝W918810084.51064.13110

4．(1)普通光源发射＝0.6000m波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比qq激自1=2000，求此时单色能量密度为若干？(2)在He—Ne激