激光基础说明

1、Page 1介绍介绍激光基础激光基础 激光产生机理激光产生机理 激光发展历史激光发展历史 激光器的类型激光器的类型 激光应用领域激光应用领域aPage 2激光产生机理激光产生机理一一 激光产生机理激光产生机理Page 31 激光产生机理激光产生机理1. 1. 什么是什么是 Laser ?Laser ?2. 2. 激光与普通光有何区别激光与普通光有何区别 ？3. 3. 为什么有这些区别为什么有这些区别 ？4. 4. 如何产生激光如何产生激光 ？四个基本问题：四个基本问题：Page 41. 什么是什么是 Laser ?LaserLight Amplification by Stimulated E

2、mission of Radiation“受激辐射的光放大”激光激光是20世纪继原子能原子能、计算机计算机、半导体半导体之后，人类的又一重大发明。“激光激光” 1964年大陆定名；“镭射镭射” 香港，台湾Page 52. 激光与普通光有何区别？激光与普通光有何区别？激光激光普通光普通光(1)(1)激光的单色性好；激光的单色性好；单色性最好的氪灯Kr86=4.710-3 nm稳频HeNe激光器=1.010-9 nmPage 62. 激光与普通光有何区别？激光与普通光有何区别？激光激光普通光普通光(2)(2)激光的方向性好；激光的方向性好； 一束激光射到38万km的月球上，光斑的直径只有2km手电

3、筒的光射到m处，扩展成很大的光斑。Page 72. 激光与普通光有何区别？激光与普通光有何区别？(3)(3)激光的亮度高；激光的亮度高；太阳表面的亮度几百倍于白炽灯；普通的激光器的亮度10亿倍于太阳表面亮度；激光是当今世界上最高亮度的光源激光是当今世界上最高亮度的光源(4)(4)激光是高相干光源激光是高相干光源Page 83. 为什么有这些区别？为什么有这些区别？普通光源发光：普通光源发光：原子系统发光过程中，自发辐射自发辐射占优势。发出的光频率不是单一的，偏振方向、传播方向各不一样，位相是随机的。自发地，各自独立地，彼此无关地，无规律地E2E1N2N1h Page 93. 为什么有这些区别？

4、为什么有这些区别？激光光源发光：激光光源发光：原子系统在发光过程中受激辐射受激辐射占优势，受激辐射中所发出的光与外来激发光子的性质完全相同（四同光子），使某模式内的光子数增大。同频率，同相位，同方向，同偏振E2E1N2N1全同光子全同光子h Page 103. 为什么有这些区别？为什么有这些区别？激光光源发光激光光源发光 “受激辐射受激辐射”普通光源发光普通光源发光 “自发辐射自发辐射”Page 114. 如何产生激光？如何产生激光？有了受激辐射机制就能产生激光吗？有了受激辐射机制就能产生激光吗？（1）受激辐射受激辐射存在逆过程受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 受激辐射受激辐射 复制复制产生

5、光子产生光子 +受激吸收受激吸收 吸收吸收消耗光子消耗光子 -哪种作用更强？哪种作用更强？Page 124. 如何产生激光？如何产生激光？（2）粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 由大量原子组成的系统，在热由大量原子组成的系统，在热平衡态，原子数目按能级的分平衡态，原子数目按能级的分布服从布服从玻耳兹曼统计分布玻耳兹曼统计分布受激辐射受激辐射 受激吸收受激吸收Page 134. 如何产生激光？如何产生激光？（3）粒子束反转分布）粒子束反转分布 1气体放电激励气体放电激励 2光激励光激励(光泵光泵)泵浦源（激励源）泵浦源（激励源）能量注入能量注入Page 144. 如何产生激光？如何产

6、生激光？有了受激辐射，粒子束反转分布机制就能产生激光吗？有了受激辐射，粒子束反转分布机制就能产生激光吗？（4）激光谐振腔）激光谐振腔使光往返放大Page 154. 如何产生激光？如何产生激光？激光器的组成激光器的组成谐振腔1. 1. 工作物质工作物质2. 2. 激励源激励源3. 3. 腔镜腔镜三个组成部分三个组成部分1. 1. 受激辐射受激辐射2. 2. 粒子数反转分布粒子数反转分布3. 3. 激光谐振腔激光谐振腔Page 16激光发展历史激光发展历史二二 激光发展历史激光发展历史Page 17（一）（一） 光认识的初级阶段光认识的初级阶段（一）（一） 光认识的初级阶段光认识的初级阶段牛顿（s

7、aac Newton，16421727） 惠更斯（Christian Huygens 1629-1695） 光的微粒说光的微粒说公元前5世纪17世纪末，18世纪初观点：光是发光体发射出的微小粒子，所以光是沿着直线行进的。光的机械波动说光的机械波动说17世纪末19世纪上半叶观点：光是一种在“以太”的弹性介质中传播的机械波。Page 18（一）（一） 光认识光认识 的初级阶段的初级阶段光的电磁波动说光的电磁波动说19世纪初，托马斯杨和菲涅耳等人对光的干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振现象的研究，推动了波动理论，并使之得到广泛承认；麦克斯韦（James Clerk Maxwell，18311879）

8、托马斯杨（Thomas Young，17731829）1860年，麦克斯韦建立电磁理论，确信光是一种电磁波光是一种电磁波。能解释光的反射，折射，干涉，衍射，偏振，双折射等现象。至此，光的波动说趋于完善；Page 19（一）（一） 光认识的初级阶段光认识的初级阶段电磁波谱图电磁波谱图Page 20（二）（二） 量子理论的创立及受激辐射的提出量子理论的创立及受激辐射的提出1900年，普朗克用量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，提出了“能量子假说能量子假说”，即能量的辐射不是连续的，而是处于某些分立的状态，最小单位为“能量子=hvhv- 奠定了量子论基础普朗克(MaxKarl ErnstLudw

9、ig Planck,18581947)（二）（二） 光的量子学说的创立光的量子学说的创立 及及 受激辐射的提出受激辐射的提出20世纪初一些新的物理现象，例如黑体辐射，原子的线状光谱，光电效应，光化学效应，康普顿散射等无法用波动理论解释。Page 21（二）（二） 量子理论的创立及受激辐射的提出量子理论的创立及受激辐射的提出1905年，爱因斯坦用光量子光量子理论解释光电效应现象，承认并发展了普朗克的能量子假说，提出了“光子”概念，认为光不仅是一种波动，而是一种粒子，即所谓“波粒二象性波粒二象性”；波尔(Niels Henrik David Bohr，1885 1962) 1913年，波尔建立量子

10、理论量子理论，提出原子或分子内的电子只能处于一系列不连续的能量状态，称之为能能级级。电子在能级间跃迁时，才发射或吸收一个光子v v =(E =(En n- -E Em m)/)/h hPage 22（二）（二） 量子理论的创立及受激辐射的提出量子理论的创立及受激辐射的提出1916年,爱因斯坦提出黑体辐射中存在着原子的受激辐射受激辐射的可能性。 “We introduce the following quantum-theoretical hypothesis. Under the influence of a radiation density a molecule can make an u

11、pward transition from state n to state m by absorbing radiation energy We similarly assume that a downward* transition m to n associated with a liberation of radiation energy is possible under the influence of the radiation field, and that it satisfies the same probability law “(Albert Einstein，1879

12、-1955)1921年诺贝尔物理奖- 激光产生的物理基础激光产生的物理基础Page 23（二）（二） 量子理论的创立及受激辐射的提出量子理论的创立及受激辐射的提出1928年，拉登伯格试验上观测到试验上观测到气体放电时由受激辐射受激辐射造成的负色散效应，证实了爱因斯坦的预言。 1930年，量子力学重要成果之一，正确地描述了电磁辐射场与原子体系相互作用时可能发生的三种过程（自发辐射，受激辐射和受激吸收），并给出它们之间的定量关系。1950年，普赛尔试验上实现了粒子数反转分布粒子数反转分布，观察到了核自旋系统的反转分布。1951年，法卜利坎特提出利用粒子数反转分布的物质实现放大电磁波放大电磁波的设想

13、。 Page 24（三）（三） 微波量子放大器（微波量子放大器（Maser）的产生的产生1951年，汤斯提出受激微波放大（Maser） 1954年，汤斯和革登制成氨分子微波发射器，实现粒子数反转研制成了“微波量子放大器”（Maser），形成一门新学科量子电子学。汤斯（Townes,Charles Hard ，1915） 1964年度诺贝尔物理学奖（三）（三） 微波量子放大器（微波量子放大器（Maser）的产生的产生Page 25（四）（四） 由微波量子放大到光量子放大由微波量子放大到光量子放大 1958年，汤斯、肖洛提出将微波量子放大器的原理推广到光波段，设计了激光器。 肖洛（Schawlow

14、,19211999）1981年度的诺贝尔物理学奖（四）（四） 由微波量子放大到光量子放大由微波量子放大到光量子放大 Maser LaserPage 26（五）（五） 激光器的诞生激光器的诞生1960 July， Ruby激光出光（休斯实验室 Hughes Research Labs ，梅曼Maiman、兰姆Lamb）梅曼（THMaiman，I927-） （五）（五） 激光器的诞生激光器的诞生Page 27（五）（五） 激光器的诞生激光器的诞生激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展飞快发展；激光的发展不仅使古老的光学科学和光学光学技术获得了新

15、生获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现；激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。（五）（五） 激光器的诞生激光器的诞生Page 28（六）（六） 激光器的发展激光器的发展1961年， 2月（A.Javan）贝尔实验室，研制成了HeNe混合气体激光器。 Q调制技术提出，并制成第一台调Q激光器。 制成了钕玻璃脉冲激光器。1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。1963年，建立了激光的半经典理论。对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。(兰姆) （六）（六） 激光器的

16、发展激光器的发展Page 29（六）（六） 激光器的发展激光器的发展1965年，实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理论预言了锁模效应的存在；1966年，研制成了固体锁模激光器，激光器获得了超短脉冲；1970年，研制成了准分子激光器；1977年，研制成了红外波段的自由电子激光器；1984年，研制出光孤子激光器。Page 30（六）（六） 激光器的发展激光器的发展近20年来，形成一系列新的交叉学科和应用领域：信息光电子技术，激光医疗与光子生物学，激光(微)加工，激光检测与计量，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快光子学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可

17、控核聚变，激光武器，Page 31（七）（七） 我国激光的发展我国激光的发展1961年，长春光机所 Ruby Laser；1962年，长春光机所 HeNe Laser出光；1964年，上光所成立；1971年，华工开始激光研究；1977年，华工成立激光所，大功率CO2激光器世界领先水平。1984年-现在，华工先后成立激光国家重点实验室，国家激光加工工程中心，国家光电子实验室（七）（七） 我国激光的发展我国激光的发展Page 32（八）（八） 激光发展现状激光发展现状发达国家实力强大：美国的“激光核聚变计划激光核聚变计划”，德国的“光学促进计划光学促进计划”，英国实施 “阿维尔计划阿维尔计划”，日

18、本启动“激光研究五年计划激光研究五年计划”这些项目的实施，推动了全球激光进入高速发展阶段。 （八）（八） 激光发展现状激光发展现状Page 33（九）（九） 激光产业发展现状激光产业发展现状美国：美国：CoherentCoherent公司公司（相干公司）是全球最大的激光器制造商，产品涉及科学研究、医疗手术以及工业加工等多个领域，2005年实现销售收入3.97亿美元；LumenisLumenis公司公司是世界上最大的医疗激光设备制造商，产品覆盖激光美容、激光眼科、外科激光医疗仪器等，2005实现销售收入3.5亿美元。（九）（九） 激光产业发展现状激光产业发展现状Page 34（九）（九） 激光产

19、业发展现状激光产业发展现状德国：德国：广泛地将激光应用于汽车、钢铁、航天、电子、医疗等各个行业。TmmpfTmmpf公司公司（通快公司）是世界上最大的工业激光设备制造商，高功率CO2激光器和固体激光器制造技术在全球具有领先地位，2005年实现销售收入约为15亿欧元；RofinRofin公司公司是仅次于Trumpf公司的工业激光设备制造商，在高功率CO2激光器、激光微加工系统、激光打标系统领域具有领先优势，2005年实现销售收入4.2亿欧元。 （九）（九） 激光产业发展现状激光产业发展现状Page 35激光器的类型激光器的类型三三 激光器的类型激光器的类型Page 36激光器的类型激光器的类型

20、按腔镜形式分类按腔镜形式分类 按激励方式分类按激励方式分类 按工作物质分类按工作物质分类 谐振腔固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器Page 37固体激光器固体激光器Rubinlaser (红宝石激光器红宝石激光器)结构掺Cr2O3的Al2O3晶体波长：694.3nm量子效率：0.5%-0.7%Page 38固体激光器固体激光器Nd:YAG Laser (Nd:YAG晶体激光器晶体激光器)掺Nd3+的Y3Al5O12晶体掺钕钇铝石榴石波长：1064nm (倍频可得532nm)量子效率：1%Page 39固体激光器固体激光器Nd:YVO4 Lase

21、r掺Nd3+的YVO4晶体掺钕钒酸钇波长：1064nm (倍频可得532nm)量子效率： 大于YAG Page 40固体激光器固体激光器lFiber Laser (光纤激光器光纤激光器)掺稀土元素光纤（Er, Nd）Page 41固体激光器固体激光器lHalbleiterlaser (半导体激光器半导体激光器)Modul der Halbleiterlaser Page 42固体激光器固体激光器lHalbleiterlaser (半导体激光器半导体激光器)Page 43气体激光器气体激光器lHe-Ne Laser (氦氖激光器氦氖激光器)He,Ne sind zwei Elemente.波长：

22、632.8nm量子效率：0.1%Page 44lKohlendioxidgaslaser (CO2 激光器激光器)气体激光器气体激光器波长：10.6um 量子效率：15%Page 45气体激光器气体激光器lArgonionenlaser (氩离子激光器氩离子激光器)波长：488nm,514nm量子效率：0.02%Page 46气体激光器气体激光器l准分子激光器准分子激光器准分子准分子：物质在基态时以原子形式存在，在激发态结合为分子例如：Xe气： 波长176nmAr,F混合气：波长193nm（用于近视治疗） Page 47液体激光器液体激光器 l燃料激光器 Page 48激光应用领域激光应用领域

23、四四 激光应用领域激光应用领域Page 49Industrie: Laser Schneiden 激光切割In industrie, die wichtigsten Aufgaben eines Lasers sind Schneiden,Bohren und Schweien. 激光加工Page 50Industrie: Laser Bohren 激光钻孔激光加工Page 51Industrie: Laser Mikrobearbeitung 激光微处理激光微处理激光加工Page 52Industrie: Laser Mikrobearbeitung 激光微处理激光微处理激光加工Page 5

24、3Medizin: Chirurgie (外科)采用激光刀的外科手术采用激光刀的外科手术Der Arzt fhrt eine Operetion mit dem Lasermesser aus.Page 54Medizin: Augen Therapie激光近视眼校正激光近视眼校正Man kann die kurzsichtige Augen mit dem Laser behandeln.Page 55Laser Holography(激光全息激光全息)Page 56Kommunikation (通讯)光通讯激光波长光通讯激光波长: 850nm 1310nm 1550nmIn Kommunikatio