1、讲座之三讲座之三l1960年，在光学发展历史上发生了不寻年，在光学发展历史上发生了不寻常的事件常的事件:激光器激光器-一种具有极高亮度一种具有极高亮度和极好单色性的新型光源和极好单色性的新型光源-诞生了诞生了.激光器的发明开创了一个光学新时代，激光器的发明开创了一个光学新时代，发展了一门高技术。人们是怎样开创激发展了一门高技术。人们是怎样开创激光的历史的，光的历史的，激光又是怎样产生的，激光又是怎样产生的，在国民经济建设中有些什么作用，今后在国民经济建设中有些什么作用，今后的发展情况又将如何？的发展情况又将如何？l1.1相干电磁波谱的扩展相干电磁波谱的扩展l1.2汤斯和肖洛的光激射器理论汤斯和
2、肖洛的光激射器理论l微波激射器和光学激射器有三方面微波激射器和光学激射器有三方面的差别：的差别：la使用的共振腔性质不同使用的共振腔性质不同lb频率的调谐性频率的调谐性lc本底噪声本底噪声 l1.3梅曼制成世界上第一台激光器梅曼制成世界上第一台激光器l1.4我国的第一台激光器我国的第一台激光器 l1.5激光器之名的由来激光器之名的由来l我国第一台激光器在我国第一台激光器在1961年年9月问世，但一直到月问世，但一直到1964年年底还没有一个统一的名字。有人根据底还没有一个统一的名字。有人根据Laser的发音称作的发音称作“莱塞莱塞”和和“雷射雷射”；有人根据；有人根据Laser原来的含义原来的
3、含义Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，把，把它称做它称做“光受激发射放大器光受激发射放大器”；有人根据这种新光源是；有人根据这种新光源是从微波激射器演变至光学波段的，把它称做从微波激射器演变至光学波段的，把它称做“光激射光激射器器”。此外还有。此外还有“光量子放大器光量子放大器”、“光量子振荡器光量子振荡器”等。同一样东西，叫法不一样，会造成混乱，不便于学等。同一样东西，叫法不一样，会造成混乱，不便于学术交流，也不利于发展激光技术应用。术交流，也不利于发展激光技术应用。1964年年12月，在月，在准备召开全国第三届受
4、激辐射学术会议的前夕，准备召开全国第三届受激辐射学术会议的前夕，“光受光受激辐射激辐射”杂志编辑部给著名科学家钱学森教授写了一封杂志编辑部给著名科学家钱学森教授写了一封信，请他给信，请他给Laser起个中国名字，不久，钱学森教授给起个中国名字，不久，钱学森教授给编辑部写了回信：编辑部写了回信：l“我有一个小建议，光受激发射这个名称似乎太长，说我有一个小建议，光受激发射这个名称似乎太长，说起来费事。能不能就称起来费事。能不能就称激光激光？”l二、激光器的基本原理二、激光器的基本原理l2.1自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射l假定原子从能级假定原子从能级E2往能级往能级E1（E2 E1）自发辐）
5、自发辐射跃迁到某个模的速率为射跃迁到某个模的速率为A12，作受激辐射跃迁，作受激辐射跃迁到这个模的速率为到这个模的速率为B12，那么这两个速率的比值，那么这两个速率的比值为为l B12/A12=nel式中的式中的ne是在这个模式中的光子数目（也称光子是在这个模式中的光子数目（也称光子兼并度）。普通光源辐射频率分布和辐射强度基兼并度）。普通光源辐射频率分布和辐射强度基本上是由光源的温度本上是由光源的温度T来决定，在某个模的光子来决定，在某个模的光子数由下式给出：数由下式给出：1)/exp(1kThvnel2.2负温度l负温度是对光源中处于高能态的原子数目比处于低能态的原子数目多的一种状态的表述。
6、假定光源中处在高能态E2的原子数目为N2，在低能态E1的原子数目为N1，那么，根据描述在热力学平衡状态下原子按照能级分布的波尔兹曼分布规律，这光源的温度T是l因为E2-E10，所以N2 N1,由该式看到，光源的温度T是“负值”。)/ln(1212NNkEETl2.3激光的增益激光的增益)(exp)0()()()()()()(8)/()(221212zGIzIdzzIGdzWzdIfnIggNNWfl2.4激光器的结构激光器的结构l激光器基本上由三部分组成：激光器基本上由三部分组成：la工作物质工作物质l（1）光学性质均匀，光学透明性良好，且性）光学性质均匀，光学透明性良好，且性能稳定，能稳定，
7、l（2）有能级寿命比较长的能级（称为亚稳态）有能级寿命比较长的能级（称为亚稳态能级）；能级）；l（3）有比较高的量子效率。）有比较高的量子效率。lb共振腔共振腔l（1）正反馈作用正反馈作用l（2）选模作用选模作用lc泵浦源泵浦源l泵浦源是向工作物质供给能量，泵浦源是向工作物质供给能量，把原子、分子从基态激发到高能把原子、分子从基态激发到高能态，并且形成负温状态的能源。态，并且形成负温状态的能源。常用的泵浦源有：常用的泵浦源有：l（1）光学泵浦。（）光学泵浦。（2）气体放电）气体放电泵浦。（泵浦。（3）李子束泵浦。（）李子束泵浦。（4）化学泵浦。化学泵浦。l2.5激光器的振荡条件激光器的振荡条件
8、 222122212121)1()(1ln181ln8)/(1RllnNRlnggNNNeffRlGl2.6模和激光振荡模模和激光振荡模l模是激光理论中的基本概念。从光学的模是激光理论中的基本概念。从光学的波动观点来看，模是指电磁波动的一种波动观点来看，模是指电磁波动的一种类型，实际上也是存在于空腔中各种不类型，实际上也是存在于空腔中各种不同频率的驻波；从光的粒子观点看，模同频率的驻波；从光的粒子观点看，模是代表了可以相互区分的光子态。在各是代表了可以相互区分的光子态。在各向同性的空间内，单位体积的模数向同性的空间内，单位体积的模数N为为 328cNl TEMTEM0000TEMTEM1010
9、TEMTEM2 20 0TEMTEM3030TEMTEM4040y yx xl2.7调调Q和和Q开关（品质因子）开关（品质因子）l l常用的常用的Q开关有如下几种：开关有如下几种：la可饱和吸收体可饱和吸收体Q开关开关lb电光电光Q开关开关lc机械机械Q开关开关 每秒损失的能量腔内存储的能量2Q 工 作 物 质M1M2可饱和可饱和燃料盒燃料盒可饱和吸收体可饱和吸收体Q开关开关M1M2 激 光 棒V电光电光Q开关开关起偏器起偏器普克尔盒普克尔盒l2.8锁模锁模l2.9激光器件激光器件l(1)钕玻璃激光器钕玻璃激光器（2）钇铝石榴石激光器）钇铝石榴石激光器（3）氦）氦-氖激光器氖激光器（4）CO2
10、激光器激光器（5）双异质结半导体激光器）双异质结半导体激光器 l3、激光技术应用、激光技术应用l3.1激光的特性激光的特性l（1）方向性好（）方向性好（2）单色性好（）单色性好（3）相干性）相干性极好（极好（4）光脉冲宽度可以调节）光脉冲宽度可以调节l3.2激光精密计量激光精密计量l（1）激光长度基准（）激光长度基准（2）长度测量（）长度测量（3）测）测距和测速（距和测速（4）激光准直导向（）激光准直导向（5）激光表）激光表面质量检测面质量检测l3.3激光信息处理激光信息处理l（1）光盘（）光盘（2）光通信（）光通信（3）光计算）光计算l3.4强激光的应用强激光的应用l（1）激光加工（）激光加
11、工（2）激光分离同位素（）激光分离同位素（3）激光核聚变激光核聚变l3.5激光医学激光医学l（激光刀（激光刀（2）光凝治疗（）光凝治疗（3）光照射治疗）光照射治疗l3.6激光生物应用激光生物应用l3.7激光武器激光武器l（1）射击速度快（）射击速度快（2）无惯性）无惯性l3.8科学实验应用科学实验应用（1）非线性光学（）非线性光学（2）激光光谱（）激光光谱（3）激光微）激光微束束 l4、激光技术的发展、激光技术的发展l激光器的发明已有激光器的发明已有30多年，对提高生多年，对提高生产技术水平意义重大，并将促进形成产技术水平意义重大，并将促进形成新的高技术产业，其中主要有：新的高技术产业，其中主
12、要有：l4.1建立激光产业建立激光产业l（1）激光加工产业（）激光加工产业（2）激光印刷产）激光印刷产业（业（3）激光光盘产业（）激光光盘产业（4）光纤通信）光纤通信产业（产业（5）激光医疗产业）激光医疗产业l4.2发展短波长和长波长激光技术发展短波长和长波长激光技术l（1）利用分子的受激发射）利用分子的受激发射l（2）利用非线性光学效应）利用非线性光学效应l（3）利用激光等离子体的受激发）利用激光等离子体的受激发射射l（4）利用自由电子激光器）利用自由电子激光器l4.3发展新型激光器发展新型激光器 l新型器件主要指：新型器件主要指：l（1）小型紧凑实用的激光器）小型紧凑实用的激光器l（2）可调谐固体激光器）可调谐固体激光器l（3）开发新的泵浦技术和产生）开发新的泵浦技术和产生相干辐射新机制相干辐射新机制
