Transcript 激光及其生物
第十一章 激光及其生物 激光的发射原理 激光的特性几应用 激光的生物效应 激光的种类 前言 普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射 激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是“辐射的受 激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 波长：极紫外──可见光──亚毫米 1 (100 n m ） （1.222 m m ） 11-1 激光的发射原理 一.受激吸收、自发辐射、受激辐射 E2 1.受激吸收：原子因受满足频 率条件的光的激励而跃迁到较 高能态的过程 2、 自发辐射 没有外 界作用，原子自发地由 高能态跃迁到低能态， 并辐射一个光子的过 程。 E1 E2 N2 h N1 E 2 E1 h N2 E 2 E1 h N1 h E1 各原子自发辐射的光是随机的、独立的、---非相干光 。 2 3.受激辐射若原子受 到一个满足频率条件 的外来光子的激励， 由高能态跃迁到低能 态，则辐射出另一同 频率的光子来的过程 E2 N2 h ( , T ) E1 h 全同 光子 N1 E 2 E1 h 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-----光被放大了。 3 二、 粒子数反转 受激辐射与吸收同时存在，要产生激光必须 N2w21 > N1w12 由于w21= w12 即需要 N2 热平衡时，不同 能级的原子数服 从玻尔兹曼分布 Nn e En kT > N1 N2 e N1 E 2 E1 kT <1 热平衡不会产生激 光！ N2>>N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转 能实现粒子数反转的物质——激活物质； 激活物质必须存在亚稳态能级。 4 激活物质能级结构 三能级系统 E310-8s E2（亚）10-3s 自发 四能级系统 自发 E3（亚）10-3s 激 励 E1（基） E 2 E1 h E410-8s 激 励 自发 E3 E2 h E210-8s E1（基） 5 氦氖激光器能级 He 21 碰撞 2s 19 受激 辐射 5s（亚稳态） 3p 自 发 辐 射 直流 激发 0 Ne 1s 2p 6 3、激光器的基本组成部分 产生激光 必要条件 1. 实现粒子数反转 ——工作物质 ２.使原子被激发 ——激励能源 ３.要实现光放大 ——光学谐振腔 激励能源 全反射镜 工作物质 激光输出 部分反射镜 L 光学谐振腔 7 三、光学谐振腔 要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。 在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。 光学谐振腔 8 11-2 激光的特性及其应用 一、方向性好 激光束的发散 角很小，一般为 5 8 10 10 sr 激光定位、导向、 测距等就利用了方向 性好的特点。 9 二、亮度高 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单 位立体角内发射的功率。 激光的输出功率虽然有个限 度，但由于其光束细（发散特别 小），功率密度特别大，因而其 亮度也特别大。把分散在180° 范围内的光集中到0.18 °范围， 亮度提高100万倍。通过调Q等技 术，压缩脉冲宽度，还可以进一 步提高亮度。 10 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。 激光加工、激光手术、激光武器等就利用 了高亮度的特点。 激光打孔 激光切割 11 低能激光武器 高能激光武器 12 三、单色性好 在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准 器的氪灯（K186）；它的谱线宽度为4.7×10-3纳米， 而激光谱线宽为10 9纳米，为氪灯谱线宽度的5万分 之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单 色性。 计量工作的 标准光源、激光 通讯等利用了单 色性好的特点。 光缆 13 激光通讯 14 四、相干性好 激光具有很好的相干 性。 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米， 激光可达几十公里。 全息照相、全息 存储等就利用了相干 性好的特点。 全息照相 15 例3．激光—— 原子力显微镜(AFM) 用一根钨探针或硅 探针在距试样表面 几毫微米的高度上 反复移动,来探测固 体表面的情况。 激光-原子力显微镜 （AFM） 激光器 分束器 布喇格室 棱镜 反馈机构 接计算机 压电换能器 试样通常是 微电子器件。 微芯片 压电控制装置 16 11-4 激光器的种类： 1、按工作 物质分类 2、按工作 方式分类 固体 （如红宝石Al2O3） 液体 （如某些染料） 气体 （如He-Ne、CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 自由电子 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ） 17 气体激光器 18 固体激光器 19 液体激光器 20 半导体激光器 21