中国激光史概要(邓锡铭主编)思维导图

或
单色型最好的普通光源氪同位素86， / 106
氦氖激光器， / 1010 ~ 1013
5
3. 相干性好 相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。
激光：相干光
普通光源：非相干光
普通光源是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出 的波列，或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随 机的。
S
(
)2
—光束平面发散角
对于普通光源，只有当光束发散角小于某一限度，光束才
具有明显的空间相干性。
对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间 相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。
空间相干性的演示
9
4. 高亮度
亮度：光源的明亮程度，主观量
光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率
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5. 激光在国防科技领域的应用 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上
可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击 目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激 光系统；辅助的控制和通信系统。
激光摧毁导弹
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激光制导
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器， 是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一 个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式 杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信 息系统，使其成为新一代主战兵器。
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6. 激光在科学技术前沿问题中的应用 ➢ 光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光 谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的 高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。 ➢ 激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。 ➢ 激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间 域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。 ➢ 激光可以作为光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、 染色体、细胞等微粒的操作。 ➢ 激光化学也是激光的重要应用领域。

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球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cost
cr
➢球面波的复数表示法：
U U0 eitkr r
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30
光子
➢ 在真空中一个光子的能量 h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
➢
光子具有的运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 p h P m c n 0cn 0 ln 02 pln 02 pk
Schawlow
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16
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
编辑版pppt
Maiman
发射 hE2E1
吸收 hE1E2
E2: 高能 ， E1级 : 低能级
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原子的能级
物质是由原子、分子或离子组成，而原子由带正电的原子 核及绕核运动的电子组成； 电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。
-e
+e 原子核
-e 电子 角动量L=r×p
编辑版pppt
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原子的能级
原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
➢主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能 量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;

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三.激光器的基本结构和种类
1. 激光器基本结构
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2. 激光器的种类
按工作物质分类
固体激光器 气体激光器 液体激光器
半导体激光器
按运转方式分类
连续激光器 脉冲激光器
超短脉冲激光器
按工作波段分类
远红外、红外激光器 可见光激光器 紫外、真空紫外激光器
X光激光器
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四.激光的发展历史
1917年,爱因斯坦在研究光辐射与原子 相互作用的时候发现，除了受激吸收 和自发辐射跃迁过程外，还存在受激 辐射跃迁过程,提出了受激辐射可实现 光放大的概念, 为激光发明奠定了理论 基础。
很久以前，有人幻想一种“死光武器”的出现。在 古希腊，阿基米德利用巨大的反光聚焦镜摧毁了入 侵者的兵舰，但那时的船还是由木头做的。
现代的激光让人们有可能实现古代的梦想，制造出 可以摧毁一切的激光武器。
美国现在全力研制的“星球大战”防卫体系，所依 赖的重要一环就是用激光束来击毁入侵的导弹。可 以设想，一枚载着核弹头的导弹在强激光的照射下 会迅速化为一阵烟雾消散在空中，这该是多么神奇 的事！
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现代高能激光武器的特点
激光武器是利用激光束直接毁 伤目标或使之失效，与火炮、导弹 等武器相比，具有许多优异的技术 特性：
１.反应迅速:光束以每秒３０万公里传 输，打击目标时无需计算射击提前量，瞬发 即中。
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２.可在电子战环境中工作激光传输不受外界 电磁波的干扰，目标难以利用电磁干扰手段避 开激光武器的射击。
1
激光喷泉
2
3
4
激光雷达
5
水幕激光
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绪论
一.什么是激光 二. 激光产生的原理 三.激光器的基本结构和种类 四.激光的发展历史 五.激光的应用

听力损伤
高强度激光产生的噪声可能对听力造 成损害。
激光安全标准与等级
国际标准
激光产品的安全等级按照
IEC 60825系列标准进行
划分，分为Class
1、
Class 2、Class 3等不同等
级。
国内标准
我国参照国际标准制定了 相应的激光产品安全标准 ，如GB 7247系列标准。
行业标准
不同行业根据自身特点制 定相应的激光安全标准， 如医疗行业、工业加工行 业等。
手段。
激光技术应用
医疗领域
激光在医疗领域的应用包括手术、美 容、眼科治疗等，具有创伤小、恢复 快的优点。
科研领域
激光在光谱分析、量子通信、光学陷 阱等领域发挥着重要作用，推动了科 学研究的进步。
工业领域
激光在加工、焊接、打标等领域的应 用提高了生产效率和产品质量。
军事领域
激光在武器制导、通信加密、防御系 统等方面具有重要的应用价值。
放大
当有大量原子处于激发态时，它们释放出的光子会相互作用并产生更多的光子， 形成光的放大效应。
激光器的基本组成
01
02
03
激活介质
激光器中的工作物质，通 常是气体、液体或固体， 它能实现光的受激辐射放 大。
泵浦源
为激活介质提供能量，使 其中的原子或分子被激发 到高能级。
谐振腔
由反射镜构成，用于选频 、共振和放大，使特定波 长的光在两个反射镜之间 来回反射并不断放大。
激光原理概述课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 激光原理简介 • 激光产生原理 • 激光特性与技术 • 激光安全与防护 • 未来激光技术展望

激光治疗：可以用于手术开刀，减轻痛苦，减少感染。
激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有 YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的 400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石 和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等 行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分 子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。
•
•
•
轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国 的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光 器为主。 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形 成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。 激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功 率YAG激光器、CO2激光器为主。
军事用途
• 激光武器是一种利用定向发射的激光束直 接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根 据作战用途的不同，激光武器可分为战术 激光武器和战略激光武器两大类。
• 战术激光武器是利用激光作为能量，是像常规武器那样直 接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等，打击距离一般可达 20公里。这种武器的主要代表有激光枪和激光炮，它们能 够发出很强的激光束来打击敌人。1978年3月，世界上的 第一支激光枪在美国诞生。激光枪的样式与普通步枪没有 太大区别，主要由四大部分组成：激光器、激励器、击发 器和枪托。目前，国外已有一种红宝石袖珍式激光枪，外 形和大小与美国的派克钢笔相当。但它能在距人几米之外 烧毁衣服、烧穿皮肉，且无声响，在不知不觉中致人死命， 并可在一定的距离内，使火药爆炸，使夜视仪、红外或激 光测距仪等光电设备失效。还有7种稍大重量与机枪相仿 的小巧激光枪，能击穿铜盔，在1500米的距离上烧伤皮肉、 致瞎眼睛等。

激光焊接
通过激光束与材料的相互作用，使材料迅速熔化并形成焊缝。激光焊接具有速度快、精度高、变形小等优点，在汽车、 航空航天等领域得到广泛应用。
激光打标 利用激光在物体表面留下永久性的标记，如文字、图案、二维码等。激光打标具有速度快、精度高、无 污染等优点，在电子、食品、医药等行业得到广泛应用。
医疗领域的应用
科研2
激光干涉测量
03
非线性光学
利用激光的高单色性、高亮度等特点， 研究物质的光谱特性。激光光谱学在 化学、物理、生物等领域发挥重要作 用。
通过激光干涉现象，实现高精度测量。 这种方法在长度计量、表面形貌测量 等领域具有广泛应用。
研究强光场与物质相互作用产生的非 线性效应，如二次谐波、光学参量振 荡等。非线性光学在激光频率转换、 光信号处理等方面具有重要应用。
激光简史发展与应用课件
目录
• 激光的概述和简史 • 激光的技术原理 • 激光的类型和器件 • 激光的应用 • 激光的未来发展和挑战
01 激光的概述和简 史
激光的定义和特性
定义
激光是“光放大通过受激发射辐射” 的简称，它是一种特殊的光源，具有 高强度、高单色性、高方向性和高相 干性等特点。
特性
不同于普通光源，激光具有亮度极高、 颜色单一、方向性好、相干性优等特 性。它在光学、微纳加工、通讯、医 疗等诸多领域有着广泛的应用。
激光的发现和早期发展
早期探索
人类对光的放大和探索可以追溯到20世纪初，但直到1950年 代，物理学家才开始研究如何通过受激发射实现光放大。
梅曼的实验
1960年，美国物理学家西奥多·梅曼成功制造了第一台红宝石 激光器，并产生了人类历史上的第一束激光。这一成果被誉 为20世纪最重要的科学发现之一。

§1.3 激 光 的 巨 大 应 用
激光的巨大应用
军事方面： 军事方面： 1 激光测距仪 2 激光武器：战术武器，主 激光武器：战术武器， 要代表有激光枪和激光炮； 要代表有激光枪和激光炮； 战略武器， 战略武器，用于对付敌方 的远程导弹、 的远程导弹、军事卫星等 空间武器 新的学科领域: 新的学科领域:激光被用来 研究与生命密切相关的光 合作用、血红蛋白、 合作用、血红蛋白、DNA 等的机制。 等的机制。 通讯方面： 通讯方面：光导纤维
玻璃基底 介质膜反射镜
液体中 的细胞
量子阱增益区 半导体反射镜 砷化镓基底
五 纳米激光器问世
年美国《 据2001年美国《科学》杂志报道，美国加利福尼亚 年美国 科学》杂志报道， 大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一 的纳米导线上制造出世界上最小的激光器——纳米 的纳米导线上制造出世界上最小的激光器 纳米 激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器， 激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器， 这样就可用于电路。 这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物 提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。 质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。
三
X射线激光器
X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光 射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子， 射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子 子能量非常高 目前，最短的 射线波长已达到 射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为 水窗范围（ 目前，最短的X射线波长已达到 水窗范围 水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不 水是吸收 射线的，只有在 附近， 射线的 附近 吸收区， 射线可顺利通过 损耗很小，故称水窗）， 射线可顺利通过， 吸收区， X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗）， 由于生物细胞活性组织内均含有很多水份， 由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波 长的X射线激光用于生物学 医学，生命科学的研究。 射线激光用于生物学， 长的 射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。

我国激光技术的发展史“激光”一词是“LASER”的意译。

LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。

1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种非常强烈的新光源，这样更加贴切、简洁的得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

从1961年中国第一台激光器宣布诞生至今，在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得很大的进步，为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献，积累了宝贵的经验。

在国际上了也争得了一席之地。

一、我国早期激光技术的发展1957年，王大珩等人在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。

在老一辈技术专家带领下，一批青年科技工作者所谓好是迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。

早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短短的几年内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。

1960年世界第一台激光器问世。

1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。

此后在很短的时间内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。

各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。

在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。

同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。

其他粒子，继续引起受激辐射，而获得大量特征完全 相同的光子。这便是受激辐射的光放大。
第四十五页，本课件共有148页
频率、发射方向、偏 振态和相位
hv
输入 hv
hv
hv
hv
输出
hv
hv
光放大示意图
第四十六页，本课件共有148页
正常分布：
处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子 数，这种分布称为正常分布。
第六十四页，本课件共有148页
准分子激光器
氩（Ar2)、氪（Kr2）、 氙（Xe2)
主要分为 稀有气体 和 稀有气体卤 化物准分子激光器两类，是一种高效的短
波激光器。
稀有气体和卤化 物的混合气体
第六十五页，本课件共有148页
准分子激光手术： 以193nm波长的紫外光与角膜组织接触时发
生光化学反应，每个激光脉冲可精确切削0.25μm ，将角膜前表面进行精确修饰，改变了角膜的曲 率，从而矫正近视。
处于高能态的原子是
不稳定的，其平均寿 命约为10-8s
激发态原子
自发辐射 受激辐射
基态
第三十九页，本课件共有148页
（2）自发辐射：
处于高能态的粒子极不稳定，其会自发地向低能态 跃迁，并发射出能量为hv =E2-E1 的一个光子，这称为
自发辐射。
如普通光源的发光。构成光源的各个
粒子是独立发光体，是非相干的、向四面八方
第二十八页，本课件共有148页
重要用途： 用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，
可以得到非常好的效果。
第二十九页，本课件共有148页
三. 激光产生的基本原理
第三十页，本课件共有148页
基本概念 原子由带正电的原子核和带负电的电子 组成。按照波尔的理论，电子只能处在一些 特定的“高度”，每个“高度”都具有特定 的能量，我们称之为“能级”。

I(v)
I (v)
I (v0 )
I (v0 ) 2
0
v0 v
实际上任何光波都不可能是全单色的，总有一定的频率宽度。
当△v＜＜v0时，就叫准单色波。
8
单色性的量度： 0 或 0
光源
波长 谱线半宽 单色性 干涉测长误差
Kr86(普通光源) 0.6057微米 10-6微米 10-6 氦氖激光 0.6328微米 10-12微米 10-13
1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍夫由 于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理 学奖。
4
王大珩(Wang Daheng, 1915.2─ )，中国科院 中国工程院院士，我国光学界的奠基人。 1936年毕业于清华大学物理系。1938年赴英国 伦敦帝国学院留学。1948年回国后，任大连大 学应用物理系主任，后在长春光学精密机械研 究所担任了30多年所长。为中国应用光学、光 学工程、光学精密机械、空间光学、激光科学 和计量科学的创建和发展做出杰出贡献。 六十年代以来，制成中国第一台激光器，第一台大型光测装 备和许多国防光学仪器。七十年代主持制定了全国第一个遥感科 学规划。1986年3月和陈芳允、杨嘉墀、王淦昌等4名科学家向中 央提出“发展中国的战略性高技术”的建议，得到邓小平同志批 准，由此国务院发出了“高技术发展计划纲要”的通知，这一 “纲要” 被称为“863计划”。1999年，中共中央、国务院、中央 军委决定，授予他“两弹一星功勋奖章”。
空间相干性
横向相干长度： D相干
相干截面： S相干 D相2 干 2
在相干截面内任意两点的光场振动是相干的。
时间相干性
相干时间： 相干 1 纵向相干长度： L相干 相干 c c /
在小于等于L相干的空间延时范围内， 前后光波是相干的。

732006 NO.9&10 记录媒体技术激光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。

人们把激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“新四大发明”。

激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。

像蒸汽机、发电机和电动机、晶体管、计算机这些创新一样，激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力。

对光盘存储而言，激光的发明是光盘存储技术必不可少的基础，它为光盘存储提供了一个有足够功率并且能够汇聚成很小光斑(微米级或亚微米级)的光源。

可以说，没有激光的发明，就没有后来的光盘的发明。

本文主要为光盘技术人员介绍激光技术的发展历史和趋势。

一、激光的发明和发展所谓激光就是受激发射的光，是被其它辐射感应而激发的辐射。

激光的英文名词为Laser ，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的词首字母构成的新词，其原意是受激辐射光放大器。

早期在我国曾被翻译成“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。

直到1964年，由钱学森院士提议取名为“激光”，它既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明了它是一种很强烈的新光源。

钱学森院士的提议得到国内学术界的一致认同，在中国大陆激光这个新名词就一直沿用至今。

现在我们知道，物质的发光过程有两种：一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。

自发辐射是在没有外来光子情况下，原子自发地、独立地从高能级E 2向低能级E 1的跃迁。

自发辐射是随机过程，跃迁时发出的光在相位、偏振态和传播方向上都彼此无关。

受激辐射是处于高能级E 2的原子，在受到能量为hv = E 2-E 1的外来光子的激励时，跃迁到低能级E 1，并辐射一个与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向都相同的光子。