激光及其应用ppt课件

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激光器的分类 按产生激光的工作物质的物态特性分类 •固体激光器
红宝石激光器 掺钕钇铝石榴石激光器.对治疗青光眼特别有效. •气体激光器
氦氖激光器,当今世界用的最多. 氩离子激光器:可用其进行眼科手术,是焊接 视网膜的理想光源. •半导体激光器 砷化镓激光器:体积小,输出波长在红外区， 所以保密性好，适合用于军舰、飞机和坦克上。
E3
无辐射跃迁
E（2 亚稳态）
抽 运 激励
hv=E2-E1
E1
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3)能实现粒子数反转的物质——工作物质 ①有适当的能级结构，亚稳态 ②外界提供能量，泵浦(抽运)。
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粒子数反转
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三．光学谐振腔 实现了粒子数反转，解决了受激辐射与吸收过程
的矛盾，但还不能产生激光。要产生激光还需要一 个光学谐振腔。
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
即Laser，按照其意义来说应当为：“受激辐射的光放大”。 形象的音译为“镭射”，在1964年，根据钱学森的建议， 将其改称为“激光”。这也就是我们目前最常见的称呼了。
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激光的发展过程
激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历 史却已有100多年。
在此以后,在激光器品种方面,几乎每 年都有新的、关键性的重大突破.
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•1961年
• 在美国贝尔实验室，伊朗物理学家贾万 研制出了世界上的第一台氦氖激光器。
•另外，61年8月，中国科学院长春光学 精密机械研究所由王之江教授负责研制
成功了我国第一台红宝石激光器，
比世界上第一台只晚了18个月。“中国 激光之父”。
•化学激光器
如：氟原子和氢原子
“死光武器”
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• 原子激光器 1997 美国 麻省理工学院 钠原子
• X射线激光器 在科研和军事上有重要价值，应用于
激光反导弹武器中具有优势；生物学家 用X射线激光能够研究活组织中的分子结 构或详细了解细胞机能; 用X射线激光 拍摄分子结构的照片, 所得到的生物分 子像的对比度很高。
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第一节 激光的基本原理
一．粒子的能级与辐射跃迁
1．粒子的能级
组成物质的原子、分子等粒子总是处于一定的能 态或能级，能量最低的能态称为基态，其它能量较 高的状态称为激发态。基态是最稳定的状态，通常 多数粒子处在基态上，当一粒子获得一定的能量跃 迁到某一激发态时，它在激发态上停留的时间一般 很短，其平均寿命大约在10-9~10-7秒。有些粒子的 某些激发态寿命较长，平均寿命大约可达10-3~10-2 秒，这样的激发态称为亚稳态。
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二．粒子数按能级分布 1.波尔兹曼分布
根据波尔兹曼分布，在热平衡条件下，处在高 能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的 数目。例如：根据波尔兹曼分布计算得知，氖原 子3s激发态与基态在常温下(T=300K)，两能级的 粒子数之比为
N2/N1=e-653 <<1
这说明，在热平衡条件下，绝大多数的粒子 都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。
由此他们提出了“激光原理”，受激辐射 可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。 汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠 定了激光发展的基础。
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•1960年
1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman) 发明了世界上第一台红宝石激光器。梅 曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光 度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了 人类有史以来的第一束激光。
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粒子数反转的实现条件
• 要有激励源 E2
激励 抽运
E1 但粒子在激发态的寿命很短,一般为10-11~ 10-8 S, 所以被抽运到激发态的粒子很快就会跃 迁到基态。
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•要有具有亚稳态的工作物质
要实现粒子数反转分布，必须要有这样一种 物质，它具有寿命很长的激发态。这种寿命 很长的激发态，叫亚稳态，亚稳态的时间可 达到10-3~10-2 S，甚至1秒。
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应用２：激光针
优点:①“扎针”时没有疼痛.②可避免滞针、断 针、交叉感染 应用３：激光测距
月球
38万公里
光斑直径 激光：1公里
地球
而最好的普通光源：1000多公里 发散面积相差：100万倍
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应用１：激光微光束技术
激光微光束手术刀，能方便的对细胞、染色体、 遗传基因等进行切割、穿孔、移植、焊接等手术。
1960年世界上第一台红宝石激光器问世后，1961年即用 于治疗视网膜脱落，1963年激光光刀用于肿瘤切割。70 年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。激光以 其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。视网膜 剥离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾 患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减 少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的 “光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。
远在1893年，在波尔多一所中学任教的物 理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行 镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间 距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点， 但为未来发明激光发现了一个极为重要的现 象。 •1917年,爱因斯坦:可通过受激辐射方式发光.
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• 1958年
美国贝尔实验室的科学家肖洛和汤斯发现了 一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的 光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出 鲜艳的、始终会聚在一起的强光。
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2．辐射跃迁的三种基本过程 光与物质的相互作用有三种基本过程，这就是光的
吸收、自发辐射和受激辐射。 1)吸收：假设E1、E2为某个粒子的两个能级，如图所 示。一个处在较低能级E1上的粒子，吸收一个能量 hn= E2-E1的光子，跃迁到较高的能级E2上，这一过 程称为光的吸收。
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受激吸收
E2
hv=E2-E1
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2.粒子数反转 1)受激辐射与吸收过程的矛盾 设想有一个诱发光子，欲诱发受激辐射，由于在热 平衡时，处在高能级上的粒子数目总是远远少于低能 级上的粒子数目，这样，诱发光子遇到低能级上粒子 的概率远远高于高能级上的粒子。因此，吸收过程远 远胜过受激辐射过程。 2)粒子数反转分布 为了使受激辐射过程胜过吸收过程，必须破坏粒 子数的热平衡分布，使得处在高能级上的粒子数目 大于低能级上的粒子数目，这种分布已不是热平衡 分布了，称为粒子数反转。
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• 1962年：研制成功第一台半导体激光器。 • 1963年：第一台液体激光器 • 1964年：锁模激光器 • 1965年：激光参量振荡器研制成功 • 1966年：制成染料激光器 • 1967年：超短脉冲激光器
到目前为止，激光器的品种已达数千种 之多.
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以光作为武器在人类历史上并非绝无仅有。相传在公 元前215年的第二次布匿战争中，西西里岛名城叙拉古遭 受罗马舰队围城。城中的伟大的科学家阿基米德利用自己 设计的抛石器将可燃油料的陶罐抛射到罗马战舰之上，然 后利用巨大的凸透镜聚焦太阳光点燃敌船，被称为“死亡 之光”。以至于美国的一位教授将其煞有介事地称其为 “激光武器之父”。阿基米德的这种想法可能来自与他在 当时的学术之都埃及首都亚历山大里亚留学时观看七大奇 迹之一的法洛斯灯塔的经历有关。不管这种传说是真是假， 这座地中海的粮仓还是在3年后陷落在罗马共和国的鹰旗 之下。尽管罗马将领尊重阿基米德，下令军队要礼待他， 不得伤害，但是他还是被一名粗暴的罗马士兵杀死。于是 这个事件也成了政治摧残科学的典型。无独有偶，公元6 世纪，东罗马首都君士坦丁堡遭遇围城，也是依靠巨镜烧 毁敌舰脱险，战果几乎可以与摧毁了阿拉伯海军的拜占庭
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激光武器分为三类：一是致盲型。二是近距 离战术型，可用来击落导弹和飞机。1978年美国 进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验，就是用 的这类武器。三是远距离战略型。这类的研制困 难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫 星、反洲际弹道导弹，成为最先进的防御武器。
激光武器的效费比是比较高的。在防空武器 方面，当前主体是导弹，激光武器与之相比消耗 费用要便宜得多。例如，一枚“爱国者”导弹要 60－70万美元，一枚短程“毒刺”式导弹要2万美 元，而激光发射一次仅需数千美元，今后随着技 术的发展，激光发射一次的费用可降至数百美元。
E1
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2)自发辐射：处在高能级上的粒子可以自发地辐射 光子而跃迁到较低的能级，这种过程称为自发辐射。 如图所示，自发辐射光子的能量hn= E2-E1。
特点
自发辐射发出的光子的传播方向、 振动方向、初相位彼此无关。
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3)受激辐射：处在高能级E2上的粒子，在一个外来 的能量为hn= E2-E1的光子的诱发下，跃迁到能量较 低的能级E1，同时释放出一个与诱发光子完全相同 的光子的过程 称为受激辐射。
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的秘传武器“希腊火”相提并论。
激光作为武器，有很多独特的优点。首先， 它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器 都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要 什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。 另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间 里集中超过核武器100万倍的能量，还能很灵活 地改变方向，没有任何发射性污染，因而具有 常规威慑力量。
普通光源的发光机理是自发辐射，就好象拥挤的人群从 刚散场的电影院走出，男女不一、高矮各异、衣着万 千；人们有的向东，有的向西，杂乱无章。 而激光的发射机理是受激辐射，就好象是解放军的 仪仗队，身体整齐、衣着统一、步调一致、向着一个 方向前进。
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1.方向性好
激光是受激辐射发光，且有光学谐振腔， 使得激光基本上沿谐振腔的轴线方向传 播，发散角很小（可＜10-7弧度），接近 于平行光。
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机载激光武器(ABL)， ABL的目标是研制装 在经过改造的波音 747飞机上安装激光 武器，用于从高空攻 击敌方的战区弹道导 弹。
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几种激光器