激光原理及實(shí)際應(yīng)用

1、1,2-2 激光原理及應(yīng)用,,2,普通光源,普通光源是光的自發(fā)輻射。特點(diǎn)：多波長(zhǎng)、任意方向、不相干。普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內(nèi).,3,激 光,激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。激光是光的受激輻射。激光的特點(diǎn)：?jiǎn)紊院?方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一條直線傳播,通常發(fā)散角限制在10-6球面度量級(jí)

2、的立體角內(nèi).,4,激 光,輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射,5,激 光,粒子數(shù)反轉(zhuǎn),激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射！,,6,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一,理論基礎(chǔ)：愛因斯坦的光子學(xué)說(1905)；波粒二象性(1909)輻射理論(1917)：提出了受激輻射的概念，預(yù)測(cè)到光可以產(chǎn)生受激輻射放大。,Einstein,7,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一,理論基礎(chǔ)： R.C.Tolman指出：具有粒

3、子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有光學(xué)增益（產(chǎn)生激光的基本條件之一）（1924）。,Tolman,8,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一,實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：Prokhorov和H.Townes分別獨(dú)立報(bào)導(dǎo)了第一個(gè)微波受激輻射放大器(Maser)（1953）,Townes,Prokhorov,9,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一,1958年Townes和Schawlow拋棄了尺度必須和波長(zhǎng)可比擬的封閉式諧振腔的老思路，提出利用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開放式光諧振腔實(shí)現(xiàn)Laser的新想。,Sch

4、awlow,10,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一,美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在1960.5.16利用紅寶石棒首次觀察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器；他在Nature(8月16日)發(fā)表了一個(gè)簡(jiǎn)短的通知。,Maiman,11,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一,Maiman的第一臺(tái)激光器,12,中國(guó)第一臺(tái)激光器（1961）,,13,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之二,各種激光器的開發(fā):工作物質(zhì)：固體，氣體，染料，化學(xué)

5、，離子，原子，半導(dǎo)體，X射線輸出功率：大功率，低功率工作方式：短脈沖，脈沖，超短脈沖，連續(xù)輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻率，穩(wěn)功率，穩(wěn)方向,14,我國(guó)激光器研究情況,15,激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之三,激光應(yīng)用技術(shù)信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲(chǔ)，光放大，光計(jì)算，光隔離器檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用：測(cè)長(zhǎng)，測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角，測(cè)三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)

6、測(cè)量科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場(chǎng)測(cè)量，激光光譜，激光對(duì)生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過程等等,16,光盤存儲(chǔ)器原理—激光刻蝕與讀出,,17,偏振光顯微鏡,,18,激光全息防偽人民幣（建國(guó)50周年紀(jì)念幣）,,19,激光控制核聚變,,20,天文臺(tái)（激光導(dǎo)航星）,,,,,來自納層的反射光（高度約100km),最大高度約35km,來自空氣分子的Rayleigh光,21,激光測(cè)距與激光雷達(dá),,22,激光切割,,23,長(zhǎng)度測(cè)量,

7、,24,生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用,,25,激光技術(shù)涉及的學(xué)科,物理（光學(xué)）精密加工（光學(xué)諧振腔的制作）光學(xué)加工（光學(xué)鍍膜、光學(xué)裝調(diào)）電子技術(shù)（激光電源、控制電路）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)方法、誤差理論）,26,1輻射理論概要與激光產(chǎn)生條件,§1.1 光波、光子——光的波粒二象性§1.2 原子能級(jí)和輻射躍遷§1.3 受激輻射§1.4 光譜線增寬§1.5 激光形成條件,27,光的波

8、粒二象性,波動(dòng)性：傳播過程具有頻率、波長(zhǎng)、偏振 粒子性：光與物質(zhì)相互作用具有能量、動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,光波是電磁波振動(dòng)的電場(chǎng)；振動(dòng)的磁場(chǎng),光與大多數(shù)探測(cè)器作用時(shí)，主要是電矢量起作用，故把電矢量稱作光矢量,28,光的波粒二象性,光波是橫波，有偏振方向，激光本質(zhì)上講是偏振光---偏振方向有時(shí)隨時(shí)間變化,,29,光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系,(1)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。,(2)光速,(3)頻率：光矢量每秒鐘振

9、動(dòng)的次數(shù),30,折射率始終大于1？,自然界中所有材料的折射率均大于1，各種氣體的折射率近似等于1； 負(fù)折射率材料：當(dāng)介電常數(shù)?<0，磁導(dǎo)率?<0時(shí)，折射率n=-(??)1/2，小于零（人造材料，2000年后）,用復(fù)負(fù)折射率材料做增益介質(zhì)？,31,單色平面波,(1) 平面波波陣面或等相位面：光波相位相同的空間各點(diǎn)所連成的面平面波：波陣面是平面實(shí)際生活中無窮遠(yuǎn)處傳來的光，透鏡前焦點(diǎn)上光源通過透鏡形成的光束可以看成平面波,

10、(2) 單色平面波：具有單一頻率的平面波,準(zhǔn)單色波：實(shí)際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如 稱為準(zhǔn)單色波。,32,單色平面波,理想的單色平面波,單色平面波的復(fù)數(shù)表示,復(fù)振幅 : 代表振幅在空間的分布，輻角(-kz)代表位相在空間的分布,光強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過垂直于光傳播方向單位面積的光波能量。光強(qiáng)與光矢量大小的平方成正比，即,33,球面波,波陣面為一系列同心圓的波是球面波,球面簡(jiǎn)諧

11、波方程：,球面波的復(fù)數(shù)表示法：,34,光 子,在真空中一個(gè)光子的能量,光子的動(dòng)量,式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?s。,光子的具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,光的能量就是所有光子能量的總和。當(dāng)光與物質(zhì)(原子、分子)交換能量時(shí)，光子只能整個(gè)地被原子吸收或發(fā)射。,35,2 原子能級(jí)和輻射躍遷,為了說明原子能級(jí)間的輻射躍遷，需要復(fù)習(xí)原子能級(jí)的概念；為了知道在不同的能級(jí)上原子的數(shù)量，需要了解簡(jiǎn)并度的概念。,36,原子的能級(jí),物質(zhì)是由

12、原子、分子或離子組成，而原子有帶正電的原子核及繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成；電子一方面繞核做軌道運(yùn)動(dòng)，一方面本身做自旋運(yùn)動(dòng)。,角動(dòng)量L=r×p,37,主量子數(shù)n，n＝1，2，3，…大體上決定原子中電子的能量值．不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運(yùn)動(dòng);輔量子數(shù)l , l=0,1,2,…,(n-1)，它表征電子有不同的軌道角動(dòng)量，這也同電子的能量有關(guān)。對(duì)l=0,1,2,3等的電子順次用s, p, d, f字母表示;磁量子數(shù)m=0，&

13、#177;1，±2，… ±l. 決定軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量;自旋量子數(shù)ms= ±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量;,原子的能級(jí),原子中電子的狀態(tài)由下列四個(gè)量子數(shù)來確定：,38,原子的能級(jí),電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),電子的能級(jí)，依次用E0，E1，E2，… En表示； 基態(tài)：原子處于最低的能級(jí)狀態(tài)； 激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級(jí)狀態(tài)

14、；,39,簡(jiǎn)并能級(jí)、簡(jiǎn)并度,簡(jiǎn)并能級(jí)：能級(jí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；簡(jiǎn)并度：同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目。,氫原子1s,2p態(tài)的簡(jiǎn)并度,40,原子的電子組態(tài),根據(jù)殼層結(jié)構(gòu)模型，原子核外的電子依照一定規(guī)律分布；主殼層：主量子數(shù)n表示，稱K、L、M…層；每個(gè)主殼層包括若干子殼層：輔量子數(shù)l表示，s,p,d,…分別表示l=0,1,2,…；,41,原子的電子組態(tài),泡利不相容原理：多電子原子中，不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具

15、有完全相同的量子數(shù) ；電子充填原子殼層時(shí)，遵守最小能量原理，即在正常情況下(無外界激發(fā))，電子從最低的能級(jí)開始充填，再依次充填能量較高的能級(jí)。,電子數(shù)較多的原子不一定嚴(yán)格按上述規(guī)則填充（電子間的相互作用導(dǎo)致量子數(shù)n和l的競(jìng)爭(zhēng)；,只有原子或離子的電子能級(jí)中未充滿子殼層的電子（即價(jià)電子）才與能級(jí)間的輻射躍遷有關(guān)。,42,波爾茲曼分布,現(xiàn)考慮由n0個(gè)相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級(jí)分布服從波爾茲曼定律：,式中g(shù)

16、i為Ei的簡(jiǎn)并度；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱平衡時(shí)的絕對(duì)溫度； ni表示處在Ei能級(jí)的原子數(shù),分別處于Em和En能級(jí)上的原子數(shù)nm和nn必然滿足下一關(guān)系,熱平衡條件下，處在高能級(jí)狀態(tài)的粒子數(shù)總是小于處在低能級(jí)狀態(tài)的粒子數(shù),43,輻射躍遷和非輻射躍遷,高能級(jí)的原子總是傾向于過度到低能級(jí)狀態(tài)以便更加穩(wěn)定輻射躍遷：發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級(jí)間躍遷的現(xiàn)象。非輻射躍遷：原子在不同能級(jí)躍遷時(shí)并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別