第1讲 激光简史、发展及应用

1、激光原理与技术激光原理与技术第一讲第一讲激光简史、发展与应用激光简史、发展与应用2 任课教师：周海任课教师：周海 E-Mail: 电话：电话：189714848573课程简介课程简介 先修课程：先修课程：几何光学几何光学物理光学物理光学量子力学量子力学数学物理方法数学物理方法 参考书目参考书目激光原理激光原理 国防工业出版社国防工业出版社 2009年第年第6版版 周炳琨等著周炳琨等著激光技术激光技术 科学出版社科学出版社 2009年第年第3版版 兰信钜等著兰信钜等著 量子电子学量子电子学 上海上海 科学技术出版社科学技术出版社 1983年版，年版，Amnon Yariv，刘颂，刘颂豪等译豪等译

2、Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing Group, 1986, SECOND EDITONPrinciples of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, 2010，FIFTH EDITONLaser Fundamentals，William T. Silfvast，Cambridge University Press, 2004, SECOND EDITON451.1 激光简史激光简史 什么是激光？什么是激光？ LASER：Light Amplification by Stimu

3、lated Emission of Radiation 激光：激光：受受激激辐射辐射光光放大放大61.1 激光简史激光简史 史前时代史前时代17世纪世纪对光的本性的探求：对光的本性的探求：波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；19世纪：世纪：光的波动本性有了进一步发展光的波动本性有了进一步发展电磁场理论、麦克斯韦方程组电磁场理论、麦克斯韦方程组 19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反

4、射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象； 然而到了然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。典理论来解释。71.1 激光简史激光简史 黎明前的黑暗黎明前的黑暗1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔年诺贝尔物理学奖；物

5、理学奖；1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得得1921年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quantafor his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric ef

6、fect 81.1 激光简史激光简史1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them 91.1 激光简史激光简史1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；激辐射

7、理论，为激光的出现奠定了理论的基础；101.1 激光简史激光简史1924年年, Richard Tolman hints at amplification111.1 激光简史激光简史1924年，年，Hendrik Kramers adds negative dispersion121.1 激光简史激光简史1928年，年，Ladenburg证实了受激辐射和证实了受激辐射和“负吸收负吸收”的存的存在；在；131.1 激光简史激光简史1940年，年，V.A Fabrikant在在其博士论文中提出了产生其博士论文中提出了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转的实现方法，粒子数反转是粒子数反转是MASER

8、/LASER产生的必产生的必要条件。要条件。1946: The first man made population inversion141.1 激光简史激光简史1947年，年，Lamb和和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；1950年，年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学

9、手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms151.1 激光简史激光简史 突破突破1951年年,Townes提出受激辐射微波放大，即提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。的概念。1954年，第一台氨分子年

10、，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在由于在受激辐射放大方面的成就获得受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser pri

11、nciple 161.1 激光简史激光简史1954: Charles Townes and Jim Gordon: the NH3 maser171.1 激光简史激光简史19561956年年Nicolaas BloembergenNicolaas Bloembergen在哈弗大学提在哈弗大学提出了固态微波激射器的概念，出了固态微波激射器的概念， 于于19561956年年1010月月在在Physical ReviewPhysical Review上发表了一篇有决定意义上发表了一篇有决定意义的文章，第一台成功的设备几个月后在的文章，第一台成功的设备几个月后在BellBell实验室研制出来。实验室研

12、制出来。 181.1 激光简史激光简史19581958年年SchawlowSchawlow和和TownesTownes在在Physical Review Letters Physical Review Letters 上发表上发表论文论文“Infrared and Optical Maser”Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。新事物登上了历史舞台。19591959年，年，Gordon Gould Gordon Gould 发表论文发表论文“The LASER: Light The LASER: Light Amp

13、lification by Stimulated Emission of Radiation”Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，这，这是是LASERLASER这一术语第一次被提出。这一术语第一次被提出。191.1 激光简史激光简史1959：First Quantum Electronics Conference201.1 激光简史激光简史1959：First Quantum Electronics Conference211.1 激光简史激光简史1960年年5月，休斯实验室的月，休斯实验室的Maiman和和Lamb共同研制的红

14、宝石激光共同研制的红宝石激光器发出了器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。221.1 激光简史激光简史Ted Mainman and his “stubby ruby”231.1 激光简史激光简史First ruby laser, disassembled241.1 激光简史激光简史1960年年中，年年中，IBM实验室的实验室的Sorokin和和Stevenson利用利用CaF2中的三价铀制中的三价铀制成了第一台四能级成了第一台四能级固体激光器；固体激光器；1960年年12月，月，BELL实验室的实验室的Javan，Benne

15、tt和和Herriott制成了制成了第一台氦氖气体激第一台氦氖气体激光器；光器；251.1 激光简史激光简史1961年，年，Elias Snitzer 报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这种报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这种激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可控核激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可控核聚变的主要候选光源；聚变的主要候选光源；1961年，年，P. A. Franken, A.E. Hill等人将红宝石激光器发出的光脉冲等人将红宝石激光器发出的光脉冲通过石英晶体，将红光变成了绿光，成功的演示了谐波产生的非线通过石英晶体，将红光变成了绿光，成

16、功的演示了谐波产生的非线性光学效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。性光学效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。1962年，第一台钇钕石榴石年，第一台钇钕石榴石(YAG)激光器在激光器在BELL实验室诞生，这种实验室诞生，这种激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。261.1 激光简史激光简史1962年，年，GE、IBM和和MIT林肯实验室的研究小组几乎同时报道了砷林肯实验室的研究小组几乎同时报道了砷化镓（化镓（GaAs）激光器；）激光器；1962年，年，F. J. McClung 和和R. W. Hellwarth研

17、发了激光器调研发了激光器调Q技术，技术，从而使激光器能发出高单脉冲能量的短脉冲；从而使激光器能发出高单脉冲能量的短脉冲；1962年，美国的年，美国的4个研究小组几乎同时报道了研制成功能够在液氮冷个研究小组几乎同时报道了研制成功能够在液氮冷却条件下脉冲工作的半导体激光器，这是在光通讯、光存储和光学却条件下脉冲工作的半导体激光器，这是在光通讯、光存储和光学泵浦等泵浦等 重要领域走出的具有里程碑意义的重要领域走出的具有里程碑意义的 一步；一步；271.1 激光简史激光简史1963年，年，Herbert Kroemer和和Rudolf Kazarinov、Zhores Alferov的团队独立的提出了

18、利用异质结构造半的团队独立的提出了利用异质结构造半导体激光器的思路，这一工作使得他们获得了导体激光器的思路，这一工作使得他们获得了2000年的年的诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。 1964年，年，C. K. N. (Kumar) Patel研制了第一台研制了第一台CO2激光激光器；器；1964年，年，William B. Bridges研制了第一台离子激光器；研制了第一台离子激光器；281.1 激光简史激光简史1964年，年，J. E. Geusic、H. M. Marcos和和L. G. Van Uitert研制了第一台掺钕钇铝石榴石研制了第一台掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）固体激光器，这是

19、现在被应）固体激光器，这是现在被应用于切割、焊接、光学应用和非线性光学领用于切割、焊接、光学应用和非线性光学领域用途最广的激光器；域用途最广的激光器；1964年，年，C. J. Koester和和E. Snitzer研制了研制了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现在被第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。广泛应用于光通讯和高能激光器中。1964: Arno Penzias和和Robert Wilson利用利用MASER作为放大器观察作为放大器观察3K的宇宙背景辐射，的宇宙背景辐射，从而证明了从而证明了Big Bang Theory。他们因此获。他们因此获得了得了1

20、978年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。291.1 激光简史激光简史301.1 激光简史激光简史1965年，年，Anthony J.DeMaria, D. A. Stetser和和H. A. Heynau报道了第一报道了第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸收器台利用钕玻璃激光器和饱和吸收器产生皮秒级脉冲的激光器。产生皮秒级脉冲的激光器。1965年，年，George C. Pimentel和和Jerome V. V. Kasper 研制了第一台研制了第一台化学激光器；化学激光器；1965年，年，Peter Sorokin和和John R. Lankard 研制了第一台生物染料激研制了第一台生物染料激光器，现在广

21、泛应用在超快光学和光器，现在广泛应用在超快光学和光谱学领域；光谱学领域；31 1.1 激光简史激光简史321.1 激光简史激光简史331.1 激光简史激光简史341.1 激光简史激光简史 How can you make a really low-cost laser?351.1 激光简史激光简史从从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？激光器没有早半个世纪诞生？为什么各类第一

22、台激光器都是诞生在为什么各类第一台激光器都是诞生在IBM、GE、BELL实验室？实验室？361.2 激光的发展激光的发展 更大更大为了进行高能物理、为了进行高能物理、热核聚变等方面的热核聚变等方面的研究工作，激光器研究工作，激光器产生的能量密度和产生的能量密度和功率不断提高。功率不断提高。现在世界上功率最现在世界上功率最大的激光器是美国大的激光器是美国的国家点火工程的国家点火工程（NIF）中使用的）中使用的NOVA激光系统，其激光系统，其峰值功率达到峰值功率达到1.3PW（1015W），），该系统有望在该系统有望在2010投入使用。投入使用。371.2 激光的发展激光的发展NIS已经于已经于2

23、009年点火成功，年点火成功，2010年报道的单脉冲能量达到年报道的单脉冲能量达到1MJ，峰值功率峰值功率1015W以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的500倍倍以上。以上。2013年年9月底美国核聚变国家点火装置（月底美国核聚变国家点火装置（NIF）首次实现输出能量超）首次实现输出能量超出输入能量出输入能量NIS381.2 激光的发展激光的发展目前，神光目前，神光-原型装置原型装置“十五十五”建设目标已圆满完成，达到建设目标已圆满完成，达到“8束束出光，脉冲出光，脉冲-万焦耳万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第的水平，标志着我国成为继美

24、、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。驱动器能力的国家。 391.2 激光的发展激光的发展更小更小各种工业指示、标记、探测用的半导体各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；小型化方向发展；401.2 激光的发展激光的发展更集成更集成 各种通信用的激光模各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚块，往

25、往包含十几个甚至几十个半导体激光器，至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能检测、温度监测等功能模块。模块。411.2 激光的发展激光的发展更快更快更高的调制频率：更高的调制频率：GHz；更短的脉冲宽度：阿秒脉冲更短的脉冲宽度：阿秒脉冲(attosecond Laser)；德国德国Max Planck量子光学研究中心成功产生了脉冲宽度小于量子光学研究中心成功产生了脉冲宽度小于1飞秒（飞秒（10-15s）的光脉冲，这一发光时间小于可见光波长的一个振荡周期。）的光脉冲，这一发光时间小于可见光波长的一个振荡周期。421.2 激光的发展激光的发展更多样化更多样

26、化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（）、气体（He-Ne、CO2）、液体、）、液体、染料、半导体、自由电子等；染料、半导体、自由电子等；431.3 激光的应用激光的应用 从科幻到现实从科幻到现实第一个描述激光的作品？第一个描述激光的作品？威尔斯在威尔斯在1898年的小说年的小说世界大战世界大战（火星人入侵）：（火星人入侵）：“由某种方式在由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些非传导的小室中产生酷热

27、，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热射线不是可见光，而是某种热”CO2激光器，由激光器，由CO2作为工作物质，通过放电激发产生作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激的红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统；光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统；火星大气充满火星大气充满CO2，并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天，并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天然的激光；然的激光；441.3 激光的应用激光的应用 激光的实际应用激光的实际应用工业应用工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；切割：速

28、度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；表面处理；芯片刻蚀等。芯片刻蚀等。451.3 激光的应用激光的应用医疗：医疗：最早的激光医疗应用：最早的激光医疗应用：1961年年12月在哥伦比亚长老会医月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；网膜肿瘤治疗；肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；视治疗；美容；美容；外科手术等。外科手术等。461.3 激光的应用激光的应用科研：科研：1971年，Dennis Gabor因为因为在在1946年至年至1951年间发表的年间发表的一系列文章提出了光学全息术一系列文章提出了光学全息术而获得诺贝尔物理学奖，然而而获得诺贝尔物理学奖，然而真正的全息照相直到激光器被真正的全息照相直到激光器被发明才成为现实。发明才成为现实。 1985: Steven Chu等人研究等人研究出了利用激光束冷冻、捕捉原出了利用激光束冷冻、捕捉原子的方法，这一方法对于研究子的方法，这一方法对于研究基础物理现象和以空前的精度基础物理现象和以空前的精度测量重要物理量起到了重要的测量重要物理量起到了