1、教材信息教材信息激光原理及应用激光原理及应用陈鹤鸣陈鹤鸣 赵新彦赵新彦电子工业出版社电子工业出版社激光原理与技术激光原理与技术夏长明夏长明 参考书参考书激光原理及应用激光原理及应用陈家璧陈家璧激光原理激光原理周炳琨周炳琨激光原理与技术激光原理与技术阎吉祥阎吉祥主要内容1.激光发展简史及激光特性激光发展简史及激光特性2.激光产生的基本原理激光产生的基本原理3.光学谐振腔与激光模式光学谐振腔与激光模式4.高斯光束高斯光束5.激光工作物质的增益特性激光工作物质的增益特性6.激光器的工作特性激光器的工作特性7.激光特性的控制与改善激光特性的控制与改善8.典型激光器典型激光器第第1章章 绪论绪论激光也是
2、光，它是光的一部分激光也是光，它是光的一部分提到激光时脑提到激光时脑海中的第一印海中的第一印象？象？激光是激光是2020世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为一重大发明，被称为“最快的刀最快的刀”、“最准的尺最准的尺”、“最亮的光最亮的光”和和“奇异的激光奇异的激光”。它的亮度为太阳光的。它的亮度为太阳光的100100亿倍。亿倍。“激光激光”LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称L
3、ASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation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”。17世纪对光的本性的探求：波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；19世纪：光的波动本性有了进一步发展 电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1 激光发展史激光发展史 19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振
4、和双折射等现象；然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的现象无法用当时的经典理论来解释。1900年，Planck提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quantafor his servi
5、ces to Theoretical Physics,and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect 1913年，玻尔(Bohr)借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating fro
6、m them 1947年，Lamb(兰姆)和Reherford(雷瑟福)在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，法国物理学家Kastler(卡斯特勒)提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum for the discovery and development of optical
7、methods for studying Hertzian resonances in atoms 1951年,Townes(汤斯)提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。for fundamental work in the field of quantum electronics,which has led to the co
8、nstruction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle 突破 1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上发表论文“Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1960年5月17日，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。但是现在大家记得梅曼，不记得lamb 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀铀制成了第一台四能级固体激光器；Cu3+1960
9、年12月，Bell实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器632nm；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；激光武器激光武器实验室有实验室有3个橄榄球个橄榄球场大场大1999年年6月，月，吊装直径吊装直径10米的靶室米的靶室 激光束进入国家点火装置激光束进入国家点火装置的一个小目标球的艺术概的一个小目标球的艺术概念图，它会引起核反应念图，它会引起核反应 国家点火装置靶室的内部国家点火装置靶室的内
10、部 国家点火装置靶室内一个靶国家点火装置靶室内一个靶的靶定位装置和靶校直系统的靶定位装置和靶校直系统 激光玻璃调和板激光玻璃调和板 激光点火2014.2.12日，美国核聚变技术取得突美国核聚变技术取得突破破 创造出创造出“微型太阳微型太阳”其结果发表在自然(Nature)杂志上。论文第一作者、劳 伦 斯 利 弗 莫 尔 国 家 实 验 室(Lawrence Livermore National Laboratory)物理学家哈瑞肯(Omar Hurricane)说，他们在全世界范围内首次实现了燃料输出能量大于输入能量。神光神光III 1980-2030年激光加工激光通信激光治疗 其他 条码扫描
11、 照明、成像 通讯 娱乐1.2 激光的特性激光的特性1、高方向性：、高方向性：由于激光特殊的由于激光特殊的发光机理发光机理及光学谐振腔对光传播方向的限制作用，及光学谐振腔对光传播方向的限制作用，激光光束的方向性较之普通光源强百万倍。激光束在几激光光束的方向性较之普通光源强百万倍。激光束在几kmkm之外形成的光斑直径仅之外形成的光斑直径仅几个几个cmcm，它射到距地球，它射到距地球3838万万kmkm的月球上时，光束扩散的直径不到的月球上时，光束扩散的直径不到1km1km；而普通光；而普通光源则将散开几百源则将散开几百kmkm以上以上。2、单色性：、单色性：由于激活介质的粒子数反转只能在有限的能
12、级间进行，故相应产生的由于激活介质的粒子数反转只能在有限的能级间进行，故相应产生的激光只能在有限的光谱范围能产生，再加上光学谐振腔有选频作用，使得激光的激光只能在有限的光谱范围能产生，再加上光学谐振腔有选频作用，使得激光的单色性远远优于普通光源。例如单色性远远优于普通光源。例如HeNeHeNe激光器发射波长为激光器发射波长为63286328，线宽，线宽l10-7,l10-7,而普通光源中单色性最好的氪而普通光源中单色性最好的氪(Kr86)(Kr86)等波长为等波长为60576057，线宽，线宽ll4.74.710-310-3，二者相，二者相差几万倍差几万倍。正是由于激光具有上述优越的特性，使得
13、它在科学技术和产业活动中获正是由于激光具有上述优越的特性，使得它在科学技术和产业活动中获得了极为广泛的应用。例如利用其方向性和高亮度的特点，可以进行激光得了极为广泛的应用。例如利用其方向性和高亮度的特点，可以进行激光加工、激光通信、激光手术、激光武器、激光核聚变；利用其单色性和相加工、激光通信、激光手术、激光武器、激光核聚变；利用其单色性和相干性，可以进行激光测量、激光全息、激光干涉；在科学研究方面，可以干性，可以进行激光测量、激光全息、激光干涉；在科学研究方面，可以利用激光产生的超高温，超高压、超高场强等一系列极端条件来发现一些利用激光产生的超高温，超高压、超高场强等一系列极端条件来发现一些
14、新的现象和规律，开展诸如非线性光学、激光生物学等方面的研究。新的现象和规律，开展诸如非线性光学、激光生物学等方面的研究。3、相干性：、相干性：由于激光器发射的光子由于激光器发射的光子在相位上彼此相关在相位上彼此相关，能形成稳定的，能形成稳定的干涉干涉图样。图样。故激光器是一种非常好的相干光源故激光器是一种非常好的相干光源。4、高亮度：、高亮度：由于激光的方向性好，有利于将能量在空间和时间上高度集由于激光的方向性好，有利于将能量在空间和时间上高度集 中起来，中起来，故可以获得极为可观的亮度。其亮度超过太阳亿万倍，较之普通人造光源中亮度最故可以获得极为可观的亮度。其亮度超过太阳亿万倍，较之普通人造光源中亮度最高的高压脉冲疝灯高出几十亿倍。这里要注意的是，光源的亮度是表征该光源发光高的高压脉冲疝灯高出几十亿倍。这里要注意的是，光源的亮度是表征该光源发光能力大小的物理量，与人眼视觉上对不同波长的感光灵敏度无关。亮度最高，并非能力大小的物理量，与人眼视觉上对不同波长的感光灵敏度无关。亮度最高，并非视觉最亮视觉最亮。课后思考题：1.简述激光发明与发展的历史？2.激光的特性？3.激光器在现实生活中的应用？
