激光原理与应用-上海理工大学

Townes
Prokhorov
9
激光技术发展简史之一
1958年Townes和 Schawlow抛弃了尺度 必须和波长可比拟的封 闭式谐振腔的老思路， 提出利用尺度远大于波 长的开放式光谐振腔实 现Laser的新想。
Schawlow
10
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。
31
单色平面波
(1) 平面波 波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面 平面波：波阵面是平面 实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透 镜形成的光束可以看成平面波
(2) 单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的
频率宽度，如 称为准单色波。
7
激光技术发展简史之一
理论基础： ➢ R.C.Tolman指出：
具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
Tolman
8
激光技术发展简史之一
实验基础：
➢ Prokhorov和 H.Townes分别 独立报导了第一 个微波受激辐射 放大器(Maser) （1953）
激光原理及应用
1
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 理论结合实际应用高技术的某些方法。 独立完成课后作业、闭卷考查。 平时成绩30%， 考试成绩70%。（可调整）
2
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4p球面度的立体 角内.
3
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.
4
辐射跃迁： ➢受激吸收； ➢自发辐射； ➢受激辐射
Maiman
11
激光技术发展简史之一
Maiman的第一台激光器
12
中国第一台激光器（1961）
13
激光技术发展简史之二
各种激光器的开发: 工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原 子，半导体，X射线 输出功率：大功率，低功率 工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向
激光
5
激光
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！
6
激光技术发展简史之一
理论基础： ➢ 爱因斯坦的光子学说
(1905)； ➢ 波粒二象性(1909) ➢ 辐射理论(1917)：提出
了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。
Einstein
空间的分布
U ~U0e xp i kz
光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的 光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即 I U2
I T 1 T 2 T 2U 2d tT 1 T 1 T 1U 0 2co 2(tsk)d z tU 2 0 2
33
球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
c l0
各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同
υcυl(ll0)
30
折射率始终大于1？
自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率 近似等于1； 负折射率材料：当介电常数<0，磁导率<0时，折射率 n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）
用复负折射率 材料做增益介 质？
21
激光测距与激光雷达
22
激光切割
23
长度测量
24
生物和医学应用
25
激光技术涉及的学科
物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论）
26
第一章 辐射理论概要与激光产生条件
§1.1 光波、光子——光的波粒二象性 §1.2 原子能级和辐射跃迁 §1.3 受激辐射 §1.4 光谱线增宽 §1.5 激光形成条件
14
我国激光器研究情况
15
激光技术发展简史之三
激光应用技术
➢ 信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器
➢ 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状
➢ 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 ➢ 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼
科手术，激光血照仪，视光学测量 ➢ 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光
y
Ey
E
(1)线偏振光
x Ex
Baidu Nhomakorabea
(2)自然光
传播方向 z
29
光速、频率和波长三者的关系
(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。
(2)光速 c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数 1
T
(4)三者的关系
在真空中
27
光的波粒二象性
波动性：传播过程 ➢ 具有频率、波长、偏振
粒子性：光与物质相互作用 ➢ 具有能量、动量、运动质量
光波是电磁波 ➢ 振动的电场； ➢ 振动的磁场
l 光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电 矢量称作光矢量
28
光的波粒二象性
光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振 方向有时随时间变化
➢球面简谐波方程：
32
单色平面波
理想的单色平面波
单色平面波的表示---行波方程
U U 0co s tc z U 0co s 2 T pt2 p lz
单色平面波的复数表示 U U 0 e x p it k z U e x p ( it)
➢复振幅 U~ : 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在
谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过 程等等
16
光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
17
偏振光显微镜
18
激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
19
激光控制核聚变
20
天文台（激光导航星）
来自纳层 的反射光 （高度约
100km)
最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光