通键 尊重机关知识产 在透的焦点处放置小光源 F在抛物面的焦点放置小光源 图17实际光源毕竟大小有限,由于透镜或反射镜的性质,产生从 平行方向的差A日 激光京 激光器的详细情形,待后叙述。这里仅说明激光束和普通光 源的光的差异。激光東就是具有空间和时间相干性的光,即如图 18所示,在激光器出口的不同的两点有两个缝隙B,C时,在远 处的屏S上,将产生干涉条纹。 激光器 因1.8激光取的干步实验 5
在激光谐振器内部,光的相位是完全一致的(图19)。时间相 干性好,意味着光是持续时间很长的正弦波所以频谱宽度极窄, 这也是激光束的特点。这样的光在光学上称为单色性好。 激光器 从激光器出来的光是平面镜 图1.9激光束的聚焦,平面波通过透镜变换成为球面波,原理上, 聚焦于几何的点F(焦点) 因为激光束几乎是完整的平面波,利用适当的透镜聚焦(即变 换成收敛的球面波)就能來集于非常小的一点上,这也是激光束的 重要特征。与此相反,普通的光,因为光源的大小总是有限的,如 前所述,不能来焦于很小的点上,总有某种程度的发散。 1-2光的发射、吸收和频譜 物体发射光或吸收光的现象,溯其根源,可以解释为电磁波形 式的光与构成物体的原子或分子之间的相互作用。严格地说来, 须用量子力学来求解,不过,这里仅就简单模型进行描述。 众所周知,原子是由中心部分带正电的原子核和在核的周围 轨道上的带负电的电子组成。原 AN于核的正电荷和电于的负电荷 好相抵消,构成中性的原子。特 定的原子的电子轨道的形状,大 小乃至电子的数目都是一定的。 图1.10原于模型和原子发射的光 图1.10是原子模型。 波。电子从外轨道(高能态)移至内 原子的能量由在周轨道上 轨道(低能态)时发射光波 运动的电子的动能和势能之和表 示。狩定的原子的能量只能取特定的某些分立值—能级。越靠
外层轨道的电子的能量就越大。图1.11表示能级图 E. 尊重相关知识产权! 能量 i mm 频事 图1.11原子的能级图和它发射的光波,光波的能量为(E2-E 尔格频为"一马.,=635×10”东格,秒 、光的发射 电子从能量较高的E2态跃迁到能量较低的E1态时,将能量 差E2-E1以光的形式放出(一般为辐射)。以尔格为能量的单 位,以赫(即秒-)为频率的单位,则有 E 的关系就是说光的能量等于ky。式中h是普朗克常数, h=6.6256×10-尔格·秒 66256×10-焦耳·秒 能量最低的态称为基态,能量比基态高的态称为激发态。 例如,霓虹灯是在一定形状的玻璃管内充入低气压氖气。在 电极间加高电压,使之放电,激发氖原子。被激发到激发态的原 子,联迁回能量较低的态时便发出许多频率即许多颜色的光。氖 原子的较强的谱线多半都在红色频带区。 原子在激发态停留的时间非常短,通常为10秒左右。什么 时刻从激发态跃迁出去是不能预言的,因为它是一种随机过程伴 随着这样的跃迁放出光的现象称为自发辐射。自发辐射不受外界 条件比如电磁场等的影响,它是超出人为控制范图之外的统计现 象
与此相对,若用光照射激发态的原子,并且如果光的频率恰好 与从该激发态跃迁时所发射的光的频率相等时,原子受刺激而发 出光波。此光波的相位、偏振频率乃至传播方向都和原来的入射 光相同。这种现象称为受激辐射(图112)。 受激辐射光能量 A AV 入射兴佬 Aya E-F W八 人射光能量 wEre E 图1.12光的受激辐射 二、光的吸收 在E4态的原子,被能量等于h=E2一E1的光照射时,原子 会吸收光而跃迁到E2 E 态。能量由光波传给原 子(图1.13)。 入射光能量 光的吸收和受激辐 射是激光作用里最基本 的过程。我们用古典方 图1.I3光的吸收 法,考虑在平衡点附近 做简谐振动的电子即振予和光的电场的相互作用。设振子自平衡 点的位移为x,角频率为ω,则运动方程为 d2 (11) d 设光的电场为 E()e Locos(cot + a) (1.2) 上述振子的运动方程便成为如下微分方程 d x+ wdx a e Eg cos (cot +a) (13) d 式中,e为电子电荷,m为电子质量
设光的电场是在t=0时加予自由振动的电子,求(1)的解 得 i x=Asin(ωog+φ) E cos (Yot m(o2-co2 in a gin oof一 cos a cos coot (14) 式中A为振子振幅,φ为振子相位。 其次,求振子从光的电场吸收的功率P。令在d时间内的电 子的位移为dx,振子得到的功,亦即电场所做的功等于位移和作 用力的乘积,dxeE(),故功率为 P=ecas d e ea cos(wt t+ a) (15) t P值为正时,相当于振子吸收能量相反的,P值为负时,相当于振 子把能量交给光的电磁波,也就是说振子放出光。 下面说明:P值的正负是由光的电场的相位和振子的相位的 关系所决定的。(14)对微分后,代入(15),令功的增量为d 则 dt 假定=∞,即振子的固有振动和光的电场的振动发生谐振时, 在振动的一周期r2内电场所完成的功为 W→xHmE0cos(a+小 (16) 式中,Pm〓eA是偶极矩。 现在看一看相位关系的影响。光的电场的相位a与振子的相 位中一致时W>0,a和φ相反即a〓φ十时, cos(a-φ)=cosx=-1 W取最大负值。振子对电场作功,亦即振子发出光。图114示出 这些关系