1、激光原理及应用激光原理及应用 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射前言前言 激激 光光(Laser)（镭射）(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation)“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”“激光”钱学森在1963年提出 从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再产生理论，并加后再产生理论，并加 以证明和利用，如万有引力、氧气、电
2、以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等，这种情况称为磁等，这种情况称为“科学发现科学发现”；二是自然界（至少地球；二是自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为核聚变等，这种情况称为“科学发明科学发明”。而后者则更。而后者则更 有科学有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。激光是激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导世纪以来，继原子能、
3、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。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激光发明的理论基础可以追溯到1917年年，著名的物理，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，除了现，除了受激吸收和自发辐射跃迁受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在过程外，还存在受受激辐射跃迁激辐射跃迁过程。过程。20世纪世纪50年代初，年代初，电子学和微波技术的应用提出了电子学和微波技术的应用提出了将无线电技术从微波推向光波的要求。将无线电技术从微波推向光波的要求。1952年年 美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理美国马里兰大学的韦伯
4、开始应用以上理论去放大电磁波。论去放大电磁波。从微波振荡器到光波振荡器从微波振荡器到光波振荡器微波振荡器的实现原理：微波振荡器的实现原理：一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。和振荡。1954年，美国的汤斯年，美国的汤斯(Charles H.Towns)、苏联、苏联的巴索夫的巴索夫(Nikolai G.Basov)和普洛霍洛夫和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第一次实现了氨分第一次实现了氨分子微波量子振荡器子微波量子振荡器(Maser)
5、,抛弃了抛弃了 利用自由电子与利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波磁波。1958年，汤斯和肖洛年，汤斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)抛弃抛弃了了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。的新思想。布隆伯根布隆伯根(Nicolaas Bloembergen)提出了利用光泵浦
6、三能级原子系统实现原子数反转分提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想。布的新构想。汤斯和肖洛在汤斯和肖洛在PhysisPhysis ReviesRevies 上发表论文，指出了实上发表论文，指出了实 现受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需现受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需 要满足的条件。要满足的条件。C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 汤斯汤斯19541954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫研制了微波激射器和激光器；普罗霍
7、洛夫和巴索夫19581958年几乎同年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。The Nobel Prize in Physics 19641960年年7月，世界第一台红宝石固态激月，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。光器问世，标志了激光技术的诞生。美国休斯公司实验室美国休斯公司实验室梅曼梅曼演示的。演示的。波长为波长为694.3nm的激光的激光 至此，一门新的科学至此，一门新的科学技术技术量子电子学中
8、的激量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！速度向前发展！Ruby激光出光（休斯实验室Maiman、Lamb）HeNeLaser出光（贝尔实验室Javer）1961长春光机所RubyLaser1962HeNeLaser出光1964上海光机所成立1961年年 2月（月（A.Javan）研制成了）研制成了 HeNe混合气体激光器。混合气体激光器。有人提出了有人提出了Q调制技术，调制技术，并制成第一台调并制成第一台调Q激光器。激光器。为什么要调Q？制成了钕玻璃脉冲激光器。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年美国三个研究小组几乎
9、同时分别发布砷化镓（镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。）半导体激光器运转的报道。仅19611962年间世界各国发表的激光方面的论文达200篇以上。1963年建立了激光的半经典理论。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对激光的频率特性和功率特性进行了比较完 善的探讨。善的探讨。1964年研制成了年研制成了 氩离子（氩离子（A+r）离子气体激光器）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器二氧化碳气体激光器 化学激光器（化学激光器（HF氟化氢）氟化氢）掺钕的钇铝石榴石固体激光器掺钕的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，借助年实现了铌酸锂光学参量振荡器
10、，借助 半经典理论预言了半经典理论预言了锁模锁模效应的存在。效应的存在。1966年研制成了固体锁模激年研制成了固体锁模激 光器获得了超短脉冲。光器获得了超短脉冲。为什么要锁模？为什么要锁模？1970年研制成了准分子激光器。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（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的科学家共有1010位位.(built in 1986 2beam/f f200mm,1.6KJ
11、/1w/w/1ns )美国电话电报公司贝美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直像一个个微型图钉，其直径只有径只有2至至10微米。在一微米。在一个大头针的针头上，可以个大头针的针头上，可以装下装下1万个这样的新型半万个这样的新型半导体激光器。导体激光器。1990年美国年美国研制成功畸变量子阱激光研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达器，开关速度达280亿次亿次/秒，这是激光器有史以来秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。达到的
12、最高速度。1961年年8月，中国第一台红宝石激光器问世。月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院中国科学院长春光学精密机械研究所长春光学精密机械研究所研制成功。研制成功。1987年年6月，月，1012W的大功率脉冲激光系统的大功率脉冲激光系统神光装置，在中国科学院神光装置，在中国科学院上海光学精密上海光学精密机械研究所机械研究所研制成功。研制成功。神光神光I、神光、神光II、神光、神光III一一 .激光激光特点：特点：1 1 方向性好方向性好 （发散角（发散角10-4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到38万万km的月的月球上，光斑的直径只有球上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到手电筒的光
13、射到m处，处，扩展成很大的光斑。扩展成很大的光斑。利用激光准直仪可使利用激光准直仪可使长为长为2.5km的隧道掘进偏的隧道掘进偏差不超过差不超过16nm.2 2 单色性好单色性好单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频稳频HeNe激光器激光器 910 nm激光的激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍倍.10103 3 能量集中能量集中 脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）亮度极高亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光在屏上形成的小光斑，有极大的激光在屏上形成的
14、小光斑，有极大的照度照度 太阳表面的亮度比白炽灯大太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大比太阳表面的亮度大10亿倍。激光亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。是当今世界上高亮度的光源。激光的能量在空间上、在时间上高度集中激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。瞬间产生出巨大的光热。在工业上，在工业上，激光打孔、切割和焊接。医激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测
15、学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，的测量和卫星大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器 4 4 相干性好相干性好l空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。l时间相干性好（时间相干性好（10-8埃），相干长度可达几十公里。埃），相干长度可达几十公里。按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W）三三.波长：波长
16、：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米(100 n m）（1.222 m m）二二.种类：种类：固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）液体（如某些染料）气体（如气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）按工作物质分按工作物质分各种科学和技术领域应用激光形成了一系列新各种科学和技术领域应用激光形成了一系列新的交叉学科和应用技术领域：的交叉学科和应用技术领域：信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光加工、信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光加工、激光检测与计量、激光全息技术、激光光谱分析技术、激光检测与计量、激光全息技术、激光光谱分析技术、
17、非线性光学、超快光子学、激光化学、量子光学、激非线性光学、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、激光武器等等。变、激光武器等等。激光已经成为信息时代的心脏！激光已经成为信息时代的心脏！激光已经成为社会进步的推动力！激光已经成为社会进步的推动力！激光已经成为人类现代生活的重要组成部分！激光已经成为人类现代生活的重要组成部分！自由电子粒子中的电子物质(粒子粒子系统):指组成物质的原子、分子、离子.对电磁场对电磁场-用经典电动力学的用经典电动力学的MaxwellMaxwell方程组描述方程组描述 对粒子系统对
18、粒子系统-用经典力学的电偶极振子描述用经典力学的电偶极振子描述特点特点:较粗糙较粗糙,但在一定范围内很实用但在一定范围内很实用适用范围适用范围:a.a.解释物质对光的吸收、色散解释物质对光的吸收、色散,定性说明粒子自发定性说明粒子自发 发射及其谱线宽度发射及其谱线宽度b.b.光学谐振腔及激光传输理论光学谐振腔及激光传输理论c.c.大致描述非线性光学效应大致描述非线性光学效应d.d.描述自由电子激光器机理描述自由电子激光器机理 对粒子系统对粒子系统-作量子力学处理作量子力学处理优点优点:能推导出激光物理学的大部分规律能推导出激光物理学的大部分规律 (如强度特性如强度特性-反转粒子数、烧孔效应、振
19、荡光强的兰反转粒子数、烧孔效应、振荡光强的兰 姆凹陷姆凹陷,增益饱和、多模竞争、模相位锁定、频率牵引增益饱和、多模竞争、模相位锁定、频率牵引 及推斥等及推斥等)缺点缺点:a.a.因忽略了电磁场的量子化特性因忽略了电磁场的量子化特性,故有些结果与实验不故有些结果与实验不 符符,有些现象无法解释有些现象无法解释(自发发射及其线宽极限、量子自发发射及其线宽极限、量子 起伏等起伏等)b.b.对粒子系统的数学处理复杂对粒子系统的数学处理复杂(若只希望了解激光器的宏若只希望了解激光器的宏 观性质观性质,这种繁复是不必要的这种繁复是不必要的,而代之以后述更简明而代之以后述更简明 实用的速率方程方法实用的速率
20、方程方法)3.3.全量子理论全量子理论:量子电动力学方法量子电动力学方法 (已超出本课程及本书要求已超出本课程及本书要求)对电磁场及粒子系统对电磁场及粒子系统 均作量子化处理均作量子化处理,并把二者并把二者视为一个统一的物理系统视为一个统一的物理系统特点特点:能严格处理相干性、噪声、线宽极限等难题能严格处理相干性、噪声、线宽极限等难题,但数学上十分复杂但数学上十分复杂4.4.速率方程方法速率方程方法:量子理论的一种简化形式量子理论的一种简化形式简化前提简化前提:忽略量子化辐射场的位相特性及光忽略量子化辐射场的位相特性及光 子数的起伏特性子数的起伏特性优点优点:形式特别简单形式特别简单,且可给出
21、激光的强度特性且可给出激光的强度特性 并粗略描述烧孔、兰姆凹陷、多模竞争等并粗略描述烧孔、兰姆凹陷、多模竞争等 效应效应 缺点缺点:较粗糙较粗糙,未能解释色散未能解释色散(频率牵引频率牵引)及与量子及与量子 起伏有关的某些特性起伏有关的某些特性 三三.本课程的讨论范围及手段本课程的讨论范围及手段:范围范围:介绍激光和激光器的基本原理介绍激光和激光器的基本原理手段手段:主要采用速率方程方法主要采用速率方程方法,并辅之以经并辅之以经 典理论的部分结果典理论的部分结果中文参考书的建议：中文参考书的建议：v v陈钰清和王静环，（新世纪高等院校精品教材）陈钰清和王静环，（新世纪高等院校精品教材）激光原理
22、激光原理，浙江大学出版社浙江大学出版社2019年年1月第八次印刷出版月第八次印刷出版 v周炳琨等，周炳琨等，激光原理激光原理 第四版，国防工业出版社，第四版，国防工业出版社，2000 2000 v v沈柯，沈柯，激光原理教程激光原理教程 北京工业出版社，北京工业出版社，1986 1986 v v邹英华等，激光物理学，北京大学出版社，邹英华等，激光物理学，北京大学出版社，1991 v v伍长征等，激光物理学，复旦大学出版社，伍长征等，激光物理学，复旦大学出版社，1989英文参考书的建议：英文参考书的建议：vChristopher C.Davis.Christopher C.Davis.Laser
23、s and Electro-OpticsLasers and Electro-Optics(激光与电光学激光与电光学).2019,Cambridge University).2019,Cambridge University Press.(2019Press.(2019授权世界图书出版公司北京分公司独家重印发授权世界图书出版公司北京分公司独家重印发行行)v J.Wilson and J.F.B.Hawkes.J.Wilson and J.F.B.Hawkes.Lasers Principles Lasers Principles and Applicationsand Applications.1987,Prentice Hall 1987,Prentice Hall International LimitedInternational Limited
