光电子课件激光原理第一讲

激光技术与应用

物理与光电工程学院顾芳

绪论NanjingUniversityofInformationScience&Technology专业方向选修课激光的基础知识1.激光的概念3.激光的特点4.激光的分类5.激光技术的应用2.激光的产生及其意义主要内容1、激光激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。LASER是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。2、激光的产生及其意义激光光源—受激辐射普通光源—自发辐射激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。

2.1激光的发展历史a.自发辐射c.受激辐射b.受激吸收n1n21960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。美国休斯公司实验室梅曼演示的波长为694.3nm的激光。至此，一门新的科学技术——量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！1961年⑴2月（A.Javan）研制成了

He-Ne混合气体激光器。⑵有人提出了Q调制技术，并制成第一台调Q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。仅1961—1962年间世界各国发表的激光方面的论文达200篇以上将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，使其峰值功率提高的技术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。1964年研制成了氩离子（Ar+）气体激光器二氧化碳（CO2）气体激光器化学激光器（HF氟化氢）掺钕钇铝石榴石固体激光器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。用于产生极短时间激光脉冲的技术(飞秒量级10-12s）1966年研制成了固体锁模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（FEL）1984年研制出光孤子激光器（SL）因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位！1961年8月中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。1987年6月

1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。2.2激光产生的意义激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。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，激光的发展导致新兴产业的出现，促进了生产力的发展。激光现在已经是被广泛应用到了我们生活、科研的各个方面。3、激光的特点（1）方向性好（定向发光）（2）单色性好（颜色极纯）（3）亮度极高（能量集中）（4）相干性好14（1）方向性好

激光束的发散角很小，一般为

激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。15（2）单色性好

计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。光缆单色性最好的氪灯Kr86

Δ=4.7×10-3nm

稳频He—Ne激光器16(3)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。17

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18(4)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。全息照相按工作方式分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W

）

按波长分

极紫外──可见光──亚毫米

(100nm）（1.222mm）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）

按工作物质分4、激光的分类5、激光技术的应用经过50年的发展，激光的应用几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光清洗、激光针灸、激光裁剪、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。5.1激光在医学中的应用激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。激光在龋齿的诊断方面的应用

1．脱矿、浅龋

2．隐匿龋激光在治疗方面的应用

1．切割

2．充填物的聚合，窝洞处理225.2、激光美容(1)激光在美容界的用途越来越广泛。(2)激光手术有传统手术无法比拟的优越性。(3)激光在血管性皮肤病以及色素沉着的治疗中成效卓越。(4)激光外科开创了医学美容的新纪元。245.3激光光谱激光光谱（laserspectra）以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。5.4激光雷达激光雷达（laserradar）是指用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。5.5激光武器及其分类激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。激光武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史，其关键技术也已取得突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。按照现有的水平，今后5-10年内可望在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。1.2节主要内容一、

原子能级和简并度二、四个量子数（n，l，ml，ms）三、简并简并态四、玻耳兹曼分布一、

原子的能级和简并度物质是由原子、分子或离子组成的，而原子由带正电的原子核及绕核运动的电子组成。核外电子的负电量与原子核所带正电量相等。电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。由原子物理学可知，原子中电子的状态应该由四个量子数来确定。一、原子的能级和简并度由量子力学得出的氢原子能级图。电子的每个状态用量子数n,l,m,

ms来描述。651234n1.原子的能级能级:粒子的内部能量值

高能级:能量较高的能级低能级:能量较低的能级基能级:能量最低的能级(相应的状态称基态）

激发能级:能量高于基能级的其它所有能级（相应状态称激发态）651234n激发态基态二、四个量子数（n，l，m，ms）由原子物理学可知，原子中电子的运动状态可由四个量子数来描述，因此，四个量子数是用来表征电子的运动状态的。2、辅量子l

(l=0，1，2，…….,n-1)代表轨道的形状和轨道角动量，因此，也被称为角量子数。大体上决定了电子能量，代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分，不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动。对同一个n，角动量有n个不同的值但能量相同，因此说它代表的是轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对于l=0，1，2，3等的电子顺次，依次用字母s、p、d、f来表示，通常称s电子、p电子、d电子、f电子等。1、主量子数

n

(n=1,2,3,……)3、磁量子数m

(m

=0，±1，±2，…….,±l)

同一亚层（l值相同）的几条轨道对原子核的取向不同。磁量子数m是描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向。m取值受角量子数取值限制，对于给定的l值，m=0,±1,±2,...，±l，共2l+1个值。4、自旋磁量子数

ms

(ms

=±1/2)原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向的自旋。它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。三、简并简并态1、简并：与同一能级对应的有两个或以上的状态。2、简并度g：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。3、简并态：同一能级的各状态称简并态氢原子的电子态分析对氢原子来说，只有一个核外电子，所以该电子状态就可以代表原子的状态。对氢原子的1s态（即n=1,l=0,m=0）有两个不同的电子自旋状态（ms=±1/2）它们具有相同的能级E1，所以，氢原子1s态的简并度g1=2.对氢原子的2p态（n=2，l=1，m=0，±1，ms=±1/2

），共有6个不同的电子状态，它们具有相同的能级E2，所以，氢原子2p态的简并度为g2=6。原子状态nlmms简并度1s100g1=22p2110-1g2=6能量最低原理“电子优先占据最低能态”nl1021032103d3p3s2p2s1sZespdn=1n=2n=3电子填充各壳层的次序是：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s…相同

n,l组成一个支壳层对应于l=0,1,2,3,…的各支壳层分别记做s,p,d,f,g,h…根据能量最低原理和泡里不相容原理，对于有三个外层电子的锂原子，其基态为两个电子处于1s态，一个电子处在2s态，对于这种分布，我们用一个符号1s22s表示。这种将原子中各个电子多处的电子态一起标出的符号，称为电子组态符号（简称为电子组态）。原子的电子组态符号钠原子的电子组态符号钠原子有11个核外电子，钠原子基态的电子组态为n≥3的激发态的钠原子电子组态为等等通常把原子核及1s22s22p610个电子构成的稳定结构叫做原子实。原子实以外的电子称为价电子，可以被激发。为书写方便起见，可直接写出价电子的状态3p，3d，4s，…四、玻耳兹曼分布

1、玻耳兹曼分布(热平衡分布)

热平衡状态下,处于某一能级Ei的粒子数密度ni(单位体积内的粒子数,常简称粒子数)为其中:

T---热平衡时的绝对温度;ni---处在能级Ei的原子数gi---能级Ei的简并度;K---玻耳兹曼分布常数所以，两个能级E2与E1粒子数密度之比为(通常设E2＞E1):

说明这两个能级上的粒子数基本相同，其比值趋于1。讨论(设gi=gj)

:(1)如果E2

-E1很小，且满足△E=E2-E1<<kT，则(2)如果△E=E2-E1>>kT，则即热平衡状态下,高能级上的粒子数密度总是较小。(3)若E1为基能级且E2距E1较远,即E2－E1较大,则n2＜＜n1

结论:热平衡状态下,绝大多数