激光 原 理 及 应 用第1章 概述 ppt课件

激激 光光 原原 理理 及及 应应 用用 参考书： 1. 激光原理 （第 6版），周炳焜，国防工业出版社 2. 激光技术 （第 3版），蓝信钜，科学出版社 1 1.1 激光发展简史 1 爱因斯坦的理论贡献 1917年，爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时，提出光的受激辐 射的概念，从理论上预见了激光产生的可能性，但未受到重视。 2 激光的发明与发展 （ 1） 1954年发明了氨分子微波振荡器 一种在微波波段的受激辐射放大 器（ Microwave amplification by stimulated emission of radiation，缩写为 Maser），利用电磁波与束缚电子作用实现放大，但 采用封闭腔体。 （ 2） 汤斯和贝尔实验室的肖洛于 1958年在 物理评论 杂志上发表了题为 红外和光学激射器 的论文， 提出开放式谐振腔 概念。 （ 3） 1960年 5月，美国休斯公司实验室从事红宝石荧光研究的梅曼研制成 了世界上第一台红宝石固体激光器（波长 694.3nm）。 随后，各种类型的激光器层出不穷，激光技术迅速发展。 1960年 12月研制氦氖激光器， 1962年半导体激光器， 1964二氧化碳激 光器， 1965年 YAG激光器。 2 3 中国激光技术的发展 我国第一台激光器于 1961年 8月研制成功，是中国科学院长春光学精 密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里等共同实验研制的，所 以中国光学界尊称王之江为 “中国激光之父 ”。我国的红宝石激光器在结构 上与梅曼的有所不同，最明显的地方是，泵浦灯不是螺旋氙灯，而是直管 式氙灯，灯和红宝石棒并排地放在球形聚光器的附近。这是因为经过王之 江的计算，这样会比螺旋氙灯获得更好的效果。实践证明，这种设想和计 算是正确的，如今世界上的固体激光器大都是采用这种方式。 4 “ 激光 ” 名称的由来 1964年 10月，钱学森致信 受激光发射译文集 （即现 国外激光 ）编辑部），建议称为 “激光 ”，同年 12月，全国第三届光受激辐射学术会 议上，正式采纳了这个建议，从此， “Laser”的中文译名统一称为 “激光 ” 。 与此同时，选频、稳频、调制、调 Q、锁模等各种激光技术也相继出现。 3 梅曼的红宝石激光器 我国研制的红宝石激光器 4 1.2 激光的特性 1. 高方向性 平面发 散角 由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能 振荡放大，所以激光束具有很高的方向性。 激光光束发散角在毫弧度量级，激光的高方向性使其能长距离传输， 能聚焦很小，提高功率密度。 各种激光器的发散角见表 1.1 发散角受到衍射极限的限制。 5 2. 单色性好 或 激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，单色性可表示为 单色型最好的普通光源 氪同位素 86， 氦氖激光器， 6 3. 相干性好 相干条件： 振动方向相同、频率相同、相位差恒定。 普通光源： 非相干光 激光： 相干光 普通光源是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出 的波列，或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随 机的。 激光是通过自发辐射过程形成的，每个光子的运动状态 都相同。 7 3. 相干性好 普通光源 自发辐射 相干性差 激光 受激辐射 -相干性好 【 时间相干性 】 时间相干性描述沿光束传播方向上各点的相位关系，或 指光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性。 相干时间和单色性之间关系： 相干长度指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，即光源发出的光波列长度 可见，单色性越好，相干时间和相干长度越长。单色性好 的气体激光器相干长度达几十公里。 8 激光干涉测长仪的原理图 测量的量程与单色性有关，为 9 【 空间相干性 】 空间相干性描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的 相位关系，指光场中不同的空间点在同一时刻光场的相干性， 可以用相干面积来描述： 光束平面发散角 u 对于普通光源，只有当光束发散角小于某一限度，光束才 具有明显的空间相干性。 u 对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间 相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。 空间相干性的演示 10 4. 高亮度 空间高度集中： 单色亮度比太阳表面高 倍。 时间高度集中： 功率峰值可达 瓦。 亮度： 光源的明亮程度，主观量 光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率 普通光源如太阳、日光灯等的发散角都很大，光谱范围很 宽，能量分散，所以，尽管某些光源如太阳发出的光总功率 很高，但单色亮度仍很小 。 单色亮度： 11 1.3 激光应用简介 1. 激光在通信领域的应用 光纤的优越性： 通信容量大 通信质量高 保密性好 成本低 光纤通信用光源： 短距离通信用 0.85um； 长距离通信用 1.31um， 1.55um 光纤通信系统： 光发射器、光纤放大器、光探测器 光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。 关键技术： 光纤技术、激光器 激光空间通信、激光雷达等：激光在大气中传输。 12 目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到 目的节点能够实现全光透明传输的网络。全光网中的网络节 点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。 光载波 激光器 调制器 光匹配器 单模光纤 光匹配器光电检测器 本振 激光器 中频放 大、滤波解调 基带放 大、滤波 再生 相干光通信系统框图 13 激光在信息领域的应用，除了以激光为信息载体将声音、 图像、数据等各种信息进行传输的激光通信之外，还包括通 过激光将信息进行 存储 ，以及通过激光将信息 打印或显示 出 来等等。 2. 激光在信息领域的应用 3. 激光在工业领域的应用 激光的高单色和高亮度，使它成为精密计量的一种十分 有效的工具。又由于激光单色性好、发散角小，能够在透镜 的焦点处聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物体上的 某一点，便可对被物体进行 高温加热、切断、焊接及熔覆等 加工。 激光还可以对材料进行非接触式处理或探测。因为没 有表面接触，不会产生由探测射线所引起的污染，也不会引 起器具边缘的磨损，而扫描性好的特点又使其可在大面积范 围内进行工作。 14 4. 激光在生物医学领域的应用 激光技术为医学诊断和疾病治疗提供了新方式： 激光手 术刀、视网膜凝固治疗、激光美容、 OCT、激光荧光光谱诊 断等。 从激光基因测序到激光显微镜，激光技术的进步极大地 推进了生物学基础研究。激光问世不久就进入细胞遗传学领 域，利用激光可聚焦成微米或纳米级光斑的特点，可以进行 显微细胞外科手术 、测量人体 DNA分布、基因转移、 DNA裁 剪和基因定位、促进 DNA合成、细胞融合等。在酶工程和发 酵工程等生物技术中，激光也得到了重要应用。 15 5. 激光在国防科技领域的应用 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本 上可以分为三个主要部分： 追踪、寻的系统 （即正确判定攻 击目标的位置和性质的系统）； 发射实施摧毁性打击 的高能 激光系统；辅助的控制和通信系统。 激光摧毁导弹 16 激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器 ，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又 一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术 式杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方 信息系统，使其成为新一代主战兵器。 17 6. 激光在科学技术前沿问题中的应用 光谱分析 是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光 谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间