激光基礎(chǔ)說明

1、Page 1,介紹,激光基礎(chǔ),激光產(chǎn)生機理 激光發(fā)展歷史 激光器的類型 激光應(yīng)用領(lǐng)域,a,Page 2,激光產(chǎn)生機理,一 激光產(chǎn)生機理,Page 3,1 激光產(chǎn)生機理,1. 什么是 Laser ?2. 激光與普通光有何區(qū)別 ？3. 為什么有這些區(qū)別 ？4. 如何產(chǎn)生激光 ？,四個基本問題：,Page 4,1. 什么是 Laser ?,Laser,Light Amplification by Stimulated Emi

2、ssion of Radiation“受激輻射的光放大”,激光是20世紀繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。,“激光” 1964年大陸定名；“鐳射” 香港，臺灣,Page 5,2. 激光與普通光有何區(qū)別？,激光,普通光,(1)激光的單色性好；單色性最好的氪燈Kr86Δ?=4.7×10-3 nm穩(wěn)頻He—Ne激光器Δ?=1.0×10-9 nm,Page 6,2. 激光與普通光有何區(qū)別？,激

3、光,普通光,(2)激光的方向性好； 一束激光射到~38萬km的月球上，光斑的直徑只有~2km,手電筒的光射到~m處，擴展成很大的光斑。,Page 7,2. 激光與普通光有何區(qū)別？,(3)激光的亮度高；太陽表面的亮度幾百倍于白熾燈；普通的激光器的亮度10億倍于太陽表面亮度；激光是當今世界上最高亮度的光源,(4)激光是高相干光源,Page 8,3. 為什么有這些區(qū)別？,普通光源發(fā)光：原子系統(tǒng)發(fā)光過程中，自發(fā)輻射占優(yōu)勢。發(fā)出的光頻率不

4、是單一的，偏振方向、傳播方向各不一樣，位相是隨機的。,自發(fā)地，各自獨立地，彼此無關(guān)地，無規(guī)律地,,h?,Page 9,3. 為什么有這些區(qū)別？,激光光源發(fā)光：原子系統(tǒng)在發(fā)光過程中受激輻射占優(yōu)勢，受激輻射中所發(fā)出的光與外來激發(fā)光子的性質(zhì)完全相同（四同光子），使某模式內(nèi)的光子數(shù)增大。,同頻率，同相位，同方向，同偏振,,全同光子,Page 10,3. 為什么有這些區(qū)別？,激光光源發(fā)光 “受激輻射”,普通光源發(fā)光 “自發(fā)輻射”,Pa

5、ge 11,4. 如何產(chǎn)生激光？,有了受激輻射機制就能產(chǎn)生激光嗎？,,,（1）受激輻射存在逆過程受激吸收,,h?,受激輻射 復(fù)制產(chǎn)生光子 +受激吸收 吸收消耗光子 -,哪種作用更強？,Page 12,4. 如何產(chǎn)生激光？,,,（2）粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布,由大量原子組成的系統(tǒng)，在熱平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計分布,受激輻射 < 受激吸收,Page 13,4. 如何產(chǎn)生激光？,,,,（3）粒子束反轉(zhuǎn)分布,1．

6、氣體放電激勵 2．光激勵(光泵),泵浦源（激勵源）,,能量注入,,Page 14,4. 如何產(chǎn)生激光？,有了受激輻射，粒子束反轉(zhuǎn)分布機制就能產(chǎn)生激光嗎？,,,（4）激光諧振腔使光往返放大,Page 15,4. 如何產(chǎn)生激光？,激光器的組成,,,1. 工作物質(zhì)2. 激勵源3. 腔鏡,三個組成部分,1. 受激輻射2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布3. 激光諧振腔,,Page 16,激光發(fā)展歷史,二 激光發(fā)展歷史,Page 17,（一） 光認

7、識的初級階段,（一） 光認識的初級階段,牛頓（saac Newton，1642~1727）,惠更斯（Christian Huygens 1629-1695）,光的微粒說公元前5世紀—17世紀末，18世紀初觀點：光是發(fā)光體發(fā)射出的微小粒子，所以光是沿著直線行進的。,光的機械波動說17世紀末—19世紀上半葉觀點：光是一種在“以太”的彈性介質(zhì)中傳播的機械波。,Page 18,（一） 光認識 的初級階段,光的電磁波動說19世紀初，托馬

8、斯·楊和菲涅耳等人對光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象的研究，推動了波動理論，并使之得到廣泛承認；,麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831～1879）,托馬斯·楊（Thomas Young，1773～1829）,1860年，麥克斯韋建立電磁理論，確信光是一種電磁波。能解釋光的反射，折射，干涉，衍射，偏振，雙折射等現(xiàn)象。至此，光的波動說趨于完善；,Page 19,（一） 光認識的初級階段,電磁波譜圖,,Pag

9、e 20,（二） 量子理論的創(chuàng)立及受激輻射的提出,（二） 光的量子學(xué)說的創(chuàng)立 及 受激輻射的提出,20世紀初一些新的物理現(xiàn)象，例如黑體輻射，原子的線狀光譜，光電效應(yīng)，光化學(xué)效應(yīng)，康普頓散射等無法用波動理論解釋。,Page 21,（二） 量子理論的創(chuàng)立及受激輻射的提出,1905年，愛因斯坦用光量子理論解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，承認并發(fā)展了普朗克的能量子假說，提出了“光子”概念，認為光不僅是一種波動，而是一種粒子，即所謂“波粒二象性”；,Page

10、22,（二） 量子理論的創(chuàng)立及受激輻射的提出,1916年,愛因斯坦提出黑體輻射中存在著原子的受激輻射的可能性。,“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

11、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 sati

12、sfies the [same] probability law … “,(Albert Einstein，1879-1955)1921年諾貝爾物理獎,- 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ),Page 23,（二） 量子理論的創(chuàng)立及受激輻射的提出,1928年，拉登伯格試驗上觀測到氣體放電時由受激輻射造成的負色散效應(yīng)，證實了愛因斯坦的預(yù)言。 1930年，量子力學(xué)重要成果之一，正確地描述了電磁輻射場與原子體系相互作用時可能發(fā)生的三種過程（自發(fā)輻射，受激

13、輻射和受激吸收），并給出它們之間的定量關(guān)系。1950年，普賽爾試驗上實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，觀察到了核自旋系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)分布。1951年，法卜利坎特提出利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)實現(xiàn)放大電磁波的設(shè)想。,Page 24,（三） 微波量子放大器（Maser）的產(chǎn)生,,1951年，湯斯提出受激微波放大（Maser） 1954年，湯斯和革登制成氨分子微波發(fā)射器，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)研制成了“微波量子放大器”（Maser），形成一門新學(xué)科——量子電子學(xué)。

14、,湯斯（Townes,Charles Hard ，1915~） 1964年度諾貝爾物理學(xué)獎,（三） 微波量子放大器（Maser）的產(chǎn)生,Page 25,（四） 由微波量子放大到光量子放大,,1958年，湯斯、肖洛提出將微波量子放大器的原理推廣到光波段，設(shè)計了激光器。,肖洛（Schawlow,1921～1999）1981年度的諾貝爾物理學(xué)獎,（四） 由微波量子放大到光量子放大 Maser Laser,,Page 26,（五） 激光器的

15、誕生,1960 July， Ruby激光出光（休斯實驗室 Hughes Research Labs ，梅曼Maiman、蘭姆Lamb）,梅曼（T．H．Maiman，I927-）,（五） 激光器的誕生,Page 27,（五） 激光器的誕生,激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐迫切需要的背景下應(yīng)運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展；激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)；激光可使人們有效地利

16、用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。,（五） 激光器的誕生,Page 28,（六） 激光器的發(fā)展,1961年，⑴ 2月（A.Javan）貝爾實驗室，研制成了He—Ne混合氣體激光器。 ⑵ Q調(diào)制技術(shù)提出，并制成第一臺調(diào)Q激光器。 ⑶ 制成了釹玻璃脈沖激光器。1962年，美國三個研究小組幾乎同時分別發(fā)布砷化鎵 （GaAs）半導(dǎo)體激光器運轉(zhuǎn)的報道。1963年，建立了

17、激光的半經(jīng)典理論。對激光的頻率特性和功率特性進行了比較完善的探討。(蘭姆),（六） 激光器的發(fā)展,Page 29,（六） 激光器的發(fā)展,1965年，實現(xiàn)了鈮酸鋰光學(xué)參量振蕩器，借助半經(jīng)典理論預(yù)言了鎖模效應(yīng)的存在；1966年，研制成了固體鎖模激光器，激光器獲得了超短脈沖；1970年，研制成了準分子激光器；1977年，研制成了紅外波段的自由電子激光器；1984年，研制出光孤子激光器。,Page 30,（六） 激光器的發(fā)展,近

18、20年來，形成一系列新的交叉學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域：信息光電子技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光(微)加工，激光檢測與計量，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快光子學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器，……,Page 31,（七） 我國激光的發(fā)展,1961年，長春光機所 Ruby Laser；1962年，長春光機所 He－Ne Laser出光；年，上光所成立；1971

19、年，華工開始激光研究；1977年，華工成立激光所，大功率CO2激光器世界領(lǐng)先水平。1984年-現(xiàn)在，華工先后成立激光國家重點實驗室，國家激光加工工程中心，國家光電子實驗室,（七） 我國激光的發(fā)展,Page 32,（八） 激光發(fā)展現(xiàn)狀,發(fā)達國家實力強大：美國的“激光核聚變計劃”，德國的“光學(xué)促進計劃”，英國實施 “阿維爾計劃”，日本啟動“激光研究五年計劃”這些項目的實施，推動了全球激光進入高速發(fā)展階段。,（八） 激光發(fā)展現(xiàn)狀

20、,Page 33,（九） 激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,美國：Coherent公司（相干公司）是全球最大的激光器制造商，產(chǎn)品涉及科學(xué)研究、醫(yī)療手術(shù)以及工業(yè)加工等多個領(lǐng)域，2005年實現(xiàn)銷售收入3.97億美元；Lumenis公司是世界上最大的醫(yī)療激光設(shè)備制造商，產(chǎn)品覆蓋激光美容、激光眼科、外科激光醫(yī)療儀器等，2005實現(xiàn)銷售收入3.5億美元。,（九） 激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,Page 34,（九） 激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,德國：廣泛地將激光應(yīng)用于汽車、鋼鐵、

21、航天、電子、醫(yī)療等各個行業(yè)。Tmmpf公司（通快公司）是世界上最大的工業(yè)激光設(shè)備制造商，高功率CO2激光器和固體激光器制造技術(shù)在全球具有領(lǐng)先地位，2005年實現(xiàn)銷售收入約為15億歐元；Rofin公司是僅次于Trumpf公司的工業(yè)激光設(shè)備制造商，在高功率CO2激光器、激光微加工系統(tǒng)、激光打標系統(tǒng)領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢，2005年實現(xiàn)銷售收入4.2億歐元。,（九） 激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,Page 35,激光器的類型,三 激光器的類型,Page 3

22、6,激光器的類型,按腔鏡形式分類 按激勵方式分類 按工作物質(zhì)分類 ……,固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器……,,Page 37,固體激光器,Rubinlaser (紅寶石激光器),結(jié)構(gòu),摻Cr2O3的Al2O3晶體,波長：694.3nm量子效率：0.5%-0.7%,Page 38,固體激光器,Nd:YAG Laser (Nd:YAG晶體激光器),摻Nd3+的Y3Al5O12晶體摻釹釔鋁石榴石,波長：10

23、64nm (倍頻可得532nm)量子效率：1%,Page 39,固體激光器,Nd:YVO4 Laser,摻Nd3+的YVO4晶體摻釹釩酸釔,波長：1064nm (倍頻可得532nm)量子效率： 大于YAG,Page 40,固體激光器,Fiber Laser (光纖激光器),摻稀土元素光纖（Er, Nd……）,Page 41,固體激光器,Halbleiterlaser (半導(dǎo)體激光器),Modul der Halbleiterlas

24、er,Page 42,固體激光器,Halbleiterlaser (半導(dǎo)體激光器),Page 43,氣體激光器,He-Ne Laser (氦氖激光器),He,Ne sind zwei Elemente.,波長：632.8nm量子效率：0.1%,Page 44,Kohlendioxidgaslaser (CO2 激光器),氣體激光器,波長：10.6um 量子效率：15%,Page 45,氣體激光器,Argonionenlaser (氬

25、離子激光器),波長：488nm,514nm量子效率：0.02%,Page 46,氣體激光器,準分子激光器,準分子：物質(zhì)在基態(tài)時以原子形式存在，在激發(fā)態(tài)結(jié)合為分子,例如：Xe氣： 波長176nmAr,F混合氣：波長193nm（用于近視治療）,Page 47,液體激光器,燃料激光器,,Page 48,激光應(yīng)用領(lǐng)域,四 激光應(yīng)用領(lǐng)域,Page 49,Industrie: Laser Schneiden,激光切割,In industri

26、e, die wichtigsten Aufgaben eines Lasers sind Schneiden,Bohren und Schweißen.,激光加工,Page 50,Industrie: Laser Bohren,激光鉆孔,激光加工,Page 51,Industrie: Laser Mikrobearbeitung,激光微處理,激光加工,Page 52,Industrie: Laser Mikrobearbei

27、tung,激光微處理,激光加工,Page 53,Medizin: Chirurgie (外科),,采用激光刀的外科手術(shù),Der Arzt führt eine Operetion mit dem Lasermesser aus.,Page 54,Medizin: Augen Therapie,,激光近視眼校正,Man kann die kurzsichtige Augen mit dem Laser behandeln.,Pa

28、ge 55,Laser Holography(激光全息),,Page 56,Kommunikation (通訊),,光通訊激光波長: @850nm @1310nm @1550nm,In Kommunikation System ist der Laser die medium der Information. Normaleweise benuzt man drei laser Wellenlängen...Ohne Lase

29、r wird die Kommunikation System unterbrecht.,Page 57,Der Laser spielt eine wichtige Rolle in der wissenschaft Forschung, besonders im Physik. Man benuzt den Laser im Optik Experiment.,Wissenschaft Forschung : Optik

30、,,激光在光學(xué)試驗中,Page 58,Wissenschaft Forschung : Raum,,Laser-Distanzmessungen (空間距離測量儀),Mit der Vorrichtung kann man die Distanz zwichen Land und Satellit messen.,Page 59,Militär: Laser im Gun (瞄準器),,AR-15 taktisch Geweh