激光基础

Page 1,介绍,激光基础,激光产生机理 激光发展历史 激光器的类型 激光应用领域,a,Page 2,激光产生机理,一 激光产生机理,Page 3,1 激光产生机理,1. 什么是 Laser ? 2. 激光与普通光有何区别 ？ 3. 为什么有这些区别 ？ 4. 如何产生激光 ？,四个基本问题：,Page 4,1. 什么是 Laser ?,Laser,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射的光放大”,激光是20世纪继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。,“激光” 1964年大陆定名； “镭射” 香港，台湾,Page 5,2. 激光与普通光有何区别？,激光,普通光,(1)激光的单色性好； 单色性最好的氪灯Kr86 =4.7×10-3 nm 稳频HeNe激光器 =1.0×10-9 nm,Page 6,2. 激光与普通光有何区别？,激光,普通光,(2)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,手电筒的光射到m处，扩展成很大的光斑。,Page 7,2. 激光与普通光有何区别？,(3)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,(4)激光是高相干光源,Page 8,3. 为什么有这些区别？,普通光源发光：原子系统发光过程中，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,h,Page 9,3. 为什么有这些区别？,激光光源发光：原子系统在发光过程中受激辐射占优势，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,全同光子,Page 10,3. 为什么有这些区别？,激光光源发光 “受激辐射”,普通光源发光 “自发辐射”,Page 11,4. 如何产生激光？,有了受激辐射机制就能产生激光吗？,（1）受激辐射存在逆过程受激吸收,h,受激辐射 复制产生光子 + 受激吸收 吸收消耗光子 -,哪种作用更强？,Page 12,4. 如何产生激光？,（2）粒子数按能级的统计分布,由大量原子组成的系统，在热平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布,受激辐射 受激吸收,Page 13,4. 如何产生激光？,（3）粒子束反转分布,1气体放电激励 2光激励(光泵),泵浦源（激励源）,能量注入,Page 14,4. 如何产生激光？,有了受激辐射，粒子束反转分布机制就能产生激光吗？,（4）激光谐振腔使光往返放大,Page 15,4. 如何产生激光？,激光器的组成,1. 工作物质 2. 激励源 3. 腔镜,三个组成部分,1. 受激辐射 2. 粒子数反转分布 3. 激光谐振腔,Page 16,激光发展历史,二 激光发展历史,Page 17,（一） 光认识的初级阶段,（一） 光认识的初级阶段,牛顿（saac Newton，16421727）,惠更斯（Christian Huygens 1629-1695）,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 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） 光认识 的初级阶段,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）,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。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） 光认识的初级阶段,电磁波谱图,Page 20,（二） 量子理论的创立及受激辐射的提出,（二） 光的量子学说的创立 及 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） 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”；,Page 22,（二） 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的可能性。,“We introduce the following quantum-theoretical hypothesis. Under the influence of a radiation density a molecule can make an upward 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，1879-1955) 1921年诺贝尔物理奖,- 激光产生的物理基础,Page 23,（二） 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气体放电时由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，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的设想。,Page 24,（三） 微波量子放大器（Maser）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） 微波量子放大器（Maser）的产生,Page 25,（四） 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,19211999）1981年度的诺贝尔物理学奖,（四） 由微波量子放大到光量子放大 Maser Laser,Page 26,（五） 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） 激光器的诞生,Page 27,（五） 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； 激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，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，从而促进了生产力的发展。,（五） 激光器的诞生,Page 28,（六） 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） 激光器的发展,Page 29,（六） 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） 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，激光可控核聚变，激光武器， ,Page 31,（七） 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； 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） 我国激光的发展,Page 32,（八） 激光发展现状,发达国家实力强大： 美国的“激光核聚变计划”， 德国的“光学促进计划”， 英国实施 “阿维尔计划”， 日本启动“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） 激光发展现状,Page 33,（九） 激光产业发展现状,美国： Coherent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； Lumenis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） 激光产业发展现状,Page 34,（九） 激光产业发展现状,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。 Tmmpf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； Rofin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） 激光产业发展现状,Page 35,激光器的类型,三 激光器的类型,Page 36,激光器的类型,按腔镜形式分类 按激励方式分类 按工作物质分类 ,固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 ,Page 37,固体激光器,Rubinlaser (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,Nd:YAG Laser (Nd:YAG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,Nd:YVO4 Laser,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,Fiber Laser (光纤激光器),掺稀土元素光纤（Er, Nd）,Page 41,固体激光器,Halbleiterlaser (半导体激光器),Modul der Halbleiterlaser,Page 4