复旦大学《大学物理》课件-激光原理(1).pptx

激光原理 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。引言：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光Laser受激辐射光放大 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 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 粒子数正常分布是：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。E1 E2 E3 E4 能 量 N1 N2 粒子数反转状态 E1 E2 N1 N2 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）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 工作跃迁 电子碰撞 碰撞转移 He、Ne原子部分能级图 光学谐振腔 输出 全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔 激发态原子 基态 受激辐射 自发辐射 实现粒子数反转分布的激活介质 辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。输出 全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔 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）。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 激光器 He-Ne 气体激光器 自感和互感 L自感系数，单位：亨利（H）一、自感电动势 自感 由于回路自身电流发生变化时，穿过该回路自身的磁通量随之改变，从而在回路中产生感应电动势的现象,称为自感现象。1.自感系数 磁通链数 自感系数与自感电动势 2)自感电动势 若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变 的计算L讨论:2.总是阻碍电流的变化，所以自感电动势是反抗电流的变化,而不是反抗电流本身。L自感系数的计算步骤：S l 例1 试计算长直螺线管的自感系数。已知：匝数N,横截面积S,长度l,磁导率 S l 单位长度的自感为：例2 求一无限长同轴传输线单位长度的自感.已知：R1、R2 I I 例3 求一环形螺线管的自感。已知：R1、R2、h、N dr 2、互感系数与互感电动势、互感系数与互感电动势 1)互感系数(M)因两个载流线圈中电流变化而在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感现象。1、互感现象 若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变，周围无铁磁性物质。实验指出：二、互感电动势 互感 实验和理论都可以证明：2）互感电动势：互感系数和两回路的几何形状、尺寸，它们 的相对位置，以及周围介质的磁导率有关。互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互 影响程度。互感系数在数值上等于当第二个回路电流变化率 为每秒一安培时，在第一个回路所产生的互感电 动势的大小。互感系数的物理意义 例1 有两个直长螺线管，它们绕在同一个圆柱面上。已知：0、N1、N2、l、S 求：互感系数。0 称K 为耦合系数 耦合系数的大小反映了两个回路磁场耦合松紧的程度。由于在一般情况下都有漏磁通，所以耦合系数小于1。在此例中，线圈1的磁通全部通过线圈2，称为无漏磁。在一般情况下 例2.如图所示,在磁导率为的均匀无限大磁介质中,一无限长直载流导线与矩形线圈一边相距为a,线圈共 N匝,其尺寸见图示,求它们的互感系数.解:设直导线中通有自下而上的电流I,它通过矩形线圈的磁通链数为 互感为 互感系数仅取决于两回路的形状,相对位置,磁介质的磁导率 I dr 电磁感应定律 电 流 磁 场 电磁感应 感应电流 1831年法拉第 闭合回路 变化 实验 产生 产 生?问题的提出 一.电磁感应现象 R 1 2 G m 当回路 1中电流发生变化时，在回路2中出现感应电流。S 当通过闭合导电回路的磁通量变化时，回路中就会有电流产生。电动势 形成 产生 二、电磁感应定律 导电回路中产生的感应电动势的大小，与穿过导电回路的磁通量对时间的变化率成正比。感应电动势的方向 楞次定律 感应电动势大小 在t1到t2时间间隔内通过导线任一截面的感应电量 对N匝线圈 磁通链数 感应电流 三、楞次定律(判断感应电流方向)感应电流的效果反抗引起感应电流的原因 导线运动 感应电流 阻碍 产生 磁通量变化 感应电流 产生 阻碍 闭合回路中感应电流的方向，总是使感应电流激发的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。判断感应电流的方向：1、判明穿过闭合回路内原磁场 的方向；2、根据原磁通量的变化 ,按照楞次定律的要求确定感 应电流的磁场的方向；3、按右手定则由感应电流磁场的 方向来确定感应电流的方向。m.,sin210ihllabcdtii动势求线圈中产生的感应电已知：，共面矩形线圈流例：无限长直导线中电在无限长直载流导线旁有相同大小的四个 矩形线圈，分别作如图所示的运动。判断回路中是否有感应电流。思 考 线圈内磁场变化 两类实验现象 感生电动势 动生电动势 产生原因、规律不相同 都遵从电磁感应定律 导线或线圈在磁场中运动 感应电动势