激光原理及应用课件

1.1 激光发展的历史
– 1913年，玻尔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； "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them"
• 黎明前的黑暗
– 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得 1918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 quanta"
1.1 激光发展的现状
– 更快
• 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
– 更多样化
• 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、 热泵浦等、磁泵浦； • 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体 （He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电 子等；
激光原理及应用
学习目的与具体要求
目的：掌握激光原理和激光技术有关知识， 学习理论结合实际应用技术的某些方法。 独立完成课后作业、闭卷考查。
平时成绩30%， 考试成绩70%。
相关课程
• 光学 • 原子物理 • 量子力学
使用教材：激光原理及应用(第3版) ，陈家
璧等主编，电子工业出版社
参考书目
• 激光原理(第6版) ，国防工业出版社，2009 年版，周炳琨等编 • 激光技术(第3版) ，科学出版社，2009年版， 蓝信钜 著
1.1 激光发展的现状
– 更小
• 各种工业指示、标记、探测 用的半导体激光器或者半导 体泵浦固体激光器向着小型 化方向发展；
Littman结构半导体激光器 2008级光电子班郑公爵， 2011级光学 硕士研究生，展讯通信有限公司张 江高科。
1.1 激光发展的现状
–更集成 各种通信用的 激光模块，往往 包含十几个甚至 几十个半导体激 光器，并且集成 了调制、功率检 测、温度监测等 功能模块。
1.3 激光的应用
（1）工业上 （2）在军事和国防上 （3）在科学研究上
在汽车工业领域
激光技术在汽车工业中的应用日益普遍
以工艺而论，激光打标、硬化、切割、焊接，激光大灯，激光雷达等； 以部位而论，举凡内外、上下、结构装饰等，尽入毂中。
在军事和国防
J20
3D激光打印
Thanks for your attention!
– 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；
1.1 激光发展的历史
– 1947年，Lamb和Reherford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；
• 发展
– 更大、更强
– 为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究 工作，激光器产生的能量密度和功率不断提 高。 – 现在世界上功率最大的激光器是美国的国家 点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统， 其峰值功率达到1.5PW（1015W）。 – 2014年12月27日，中物院聚龙一号装置输 出瞬间功率超过20万亿瓦，相当于全球平 均发电功率的2倍。
– 17世纪—对光的本性的探求：
•；
• 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，杨氏双缝干涉，菲 涅耳波动理论等
• 电磁场理论、麦克斯韦方程组（法拉第、麦克斯韦、 坡印廷、赫兹等）
1.1 激光发展的历史
1.1 激光发展的历史
• 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，休斯实验室的Maiman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。
– 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； "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"
1.1 激光发展的历史
– 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能 级固体激光器； – 1960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； – 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； – 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞 生，其间用了近半个世纪。
• 速率方程理论（Rate Equation Theory）
– 量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数 的起伏特性
1.2 理论体系
• 激光器的严格理论是建立在量子电动力学 基础上的量子理论，在原则上可以描述激 光器的全部特性； • 不同近似程度的理论用来描述激光器的不 同层次的特性，每种近似理论都揭示出激 光器的某些特性，因此可以根据具体应用 选择合适的近似理论； • 本课程主要用到的理论是经典理论和速率 方程理论。
我国激光器研究情况
激光器的第一台 红宝石激光器（我国第一台)
He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器
研制成功时间 1961年11月
1963年7月 1963年6月
研 制 人 邓锡铭、 王之江 邓锡铭等
干福熹
GaAs同质结半导体激光器
CO2分子激光器
1963年12月
1965年9月
王守武
王润文等
1.1 激光发展的现状
"for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum"
– 1950年，Kastler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1966 年诺贝尔物理学奖。
• 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 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就无 法用当时的经典理论来解释。
1.1 激光发展的历史
激光概述
辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射；
激光概述
粒子数反转
激光原理就是要研 究光的受激辐射是 如何在激光器内产 生并占主导地位而 抑制自发辐射！
He-Ne激光器工作原理图
激光概述
• 1.1 激光的发展历史 • 1.2 激光产生的理论体系 • 1.3 激光的应用
1.1 激光发展的历史
"for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1.1 激光发展的历史
– 1951年, Townes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 宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就 获得1964年诺贝尔物理学奖。 "for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"
普通光源
普通光源是光的自发辐射。
特点：多波长、任意方向、 不相干。
普通光源向四面八方辐射, 光线分散到4球面度的立 体角内。
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。 激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度 高. 基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面 度量级的立体角内.
1.2 理论体系
• 经典理论（Classical Laser Theory）
– 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子
• 半经典理论（Semiclassical Laser Theory）
– 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述
• 量子理论（Quantum Laser Theory）
– 电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量 子化处理