激光原理-概述讲解

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1、激光原理与技术 (2014年秋季学期) 张春峰 南京大学物理学院 cfzhang 课程内容 1.概述：激光发展简史 2.光学增益产生的基本原理 a.自发辐射，受激辐射 b.辐射和原子相互作用 c.半导体中的能级跃迁 1.速率方程 2.高斯光束与光学谐振腔 3.相干性 4.频域与时域线宽 5.调Q与锁模技术 6.激光频率转变 7.典型激光器 8.激光光谱学方法 参考书目 激激 光光 原原 理理（第6版）周炳琨，国防工业出版社 Principles of Lasers Orazio Svelto APS, AIP, NPG等杂志社期刊 知识储备 普通物理光学，量子力学初步 考查方式 期中考试 50

2、% 平时表现 50% 作业 25% 项目 25% 下半学期前两学时 课程教学，第三节课同学 项目报告 2015/9/65 激光原理与技术 第一章 概 述 光：波粒二象性 (wave-particle duality) 2015/9/67 Wavelength (m) Scale Frequency (Hz) Photon Quantum theory of optical coherence (Glauber) 2009, Optical fiber (Kao), CCD (Boyle & Smith) 2014, Blue LED (Akasaki, Amano, & Nakamura) B

3、lack Body Emission 2015/9/619 Max Planck, 1900 2015/9/620 Max Planck 1901 21 Light Amplification Albert Einstein, 1905 22 Light Amplification 23 Light Amplification loss spontaneous emission amplification 24 Light Amplification 25 Light Amplification 26 Light Amplification Four-level system 激发阈值 27

4、NOVA ( LLNL 实验室)足球场大小 740mm口径 100kJ/25ns 放大后100TW (100ps) (全球电量 3TW) 国家点火装置(NLF)-雅典娜 (投资 12亿美元) Yb:glass 主振-192 路光束放大- 1.8 MJ The most powerful laser 世界上最小的激光器 The University of Texas at Austin，施至刚 教授 &台湾清华大学，果尚志 教授 Science 337, 450 (2012) 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

5、功能模块。 29 更快 - 更高的调制频率：GHz； - 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(Femtosecond Laser)； 阿秒激光器 (Attosecond 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； 30 2015/9/631 2015/9/632 固态激光器 气体激光器 光纤激光器 半导体激光器 半导体激光器 2015/9/633 与普通光的区别 低于振荡阈值高于振荡阈值 v 极佳单色性 v 极高相干性 v 极好方向性 v 极高

6、强度(极高亮度) 时间相干性 空间相干性 560 580 600 620 560 580 600 620 激光器 泵浦光强 激光光强 阈值 激光激光的特性的特性 34 激光器 激光的特性激光的特性 1 1、单色性好：、单色性好： 波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内 普通光源普通光源 发射的光子，在频率上是各不相同的，发射的光子，在频率上是各不相同的， 所以包含有各种频率（颜色所以包含有各种频率（颜色 ）。）。 激激 光光 发射的各个光子频率相同，只包含发射的各个光子频率相同，只包含 一个一个 频率，因此激光是最好的单色频率，因此激光是最好的单色 光

7、源。光源。 35 波长 400nm700nm 激光激光的特性的特性 2 2、相干性好、相干性好 空间相干性好空间相干性好 不同地点同一时刻的光之间的相干性不同地点同一时刻的光之间的相干性 激光波面上各个点可以做到都是相干的（如基横激光波面上各个点可以做到都是相干的（如基横 模）模） 时间相干性好时间相干性好 同一地点不同时刻的光之间的相干性 36 相干长度可达几十公里 激光激光的特性的特性 37 3、方向性好方向性好 激光束的发散角很小激光束的发散角很小( (几个毫弧度几个毫弧度) )， 几乎是一平行的光线。几乎是一平行的光线。 用来测量地球到月球的距离，精度用来测量地球到月球的距离，精度 达

8、几厘米（达几厘米（17cm-2mm17cm-2mm）；）； 通过测量单一激光脉冲在月球表面通过测量单一激光脉冲在月球表面 和地球表面的往返时间得到。和地球表面的往返时间得到。 激光激光的特性的特性 4 4、亮度高、亮度高 激光亮度激光亮度： 单位截面和单位立体角内发射的光功率 38 S p 光源的亮度：光源的亮度： 脉冲瞬时功率可达10 14 W 强度：强度： 在在聚焦状态聚焦状态 激光强度可达到激光强度可达到 可产生108 K的高温，引起核聚变。 激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目 前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。 39 （1）大气激光通信 1960年，激光器诞生

9、后几个月后，贝尔实验室的科学家 试验成功大气光通信，距离为25英里。 缺点：由于天气和障碍物的影响，加上地球表面为球形 ，光的直线传播距离很短。 激光通信 （2）空间激光通信 在接近真空的环境下进行的 激光通信，如卫星和卫星之 间的通信。 优点：激光在真空中传播 衰减小，可用小功率激光器 实现远距离通信。 （3）水下通信。利用波长为0.460.53m的兰绿色激 光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。 （4）激光光纤通信：让载有信号的激光束通过光导纤 维传输至对方以实现通信的方法。 激光全息 （1）全息照相 普通照相仅仅记录光波的强 度，丢失了光波的相位信息 ；全息照相借助于物体的物 光

10、和另外一束简单的参考光 的干涉，同时记录来自物体 光波的振幅和相位，也就是 记录了光波所承载的全部信 息。 具有长相干长度的激光诞生后，开始了全息的新纪元。 （2）全息防伪 激光医学 （1）强激光治疗 利用激光的光热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而消除病变。出血少 ，操作定为精确，非接触，无菌，对周围组织损伤小。 人体组织75%以上是水 临床上最早用于强激光治疗的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激 光。 CO2激光，10.6um，广泛用于治疗皮肤科、妇科、普外科多种疾病，如色 素痣，老年斑等。 Ho:YAG激光，2.062.09um，接近水在2.0um附近的吸收峰，具有理想的

11、 切割、汽化和凝聚组织止血效果，可以通过光纤传导，应用于各内窥镜手术 ，如食道、胃、肠镜下治疗息肉。 Ar+激光器，血红蛋白是人体组织中的另一种主要吸光基团,血红蛋白对Ar+ 激光(488nm、514nm)的吸收率高,所以Ar+ 激光凝固作用好,切割作用差。 激光近视眼校正 用准分子激光通过对角膜瓣下基质层进行屈光性切削， 从而降低瞳孔区的角膜曲率，达到矫正近视的目的。 （2）弱激光治疗 弱激光又称为低强度、低水平激光.弱激光作用于生物组织 时,不造成生物组织不可逆的损伤,但可以刺激机体产生一系 列的生理生化反应,对组织或机体起到调节、增强或抑制的 作用,从而达到治病的目的.机制目前不是很清晰

12、。 激光理疗，用于口腔溃疡、甲沟炎和皮肤带状疱疹等。 激光针灸治疗，包括损伤、甲状腺功能亢进、高血脂和高 血压等。 用于弱激光治疗的激光器 波长632.8nm 的He-Ne激光 波长630690nm 半导体激光器和波长780980nm半导 体激光器 激光光动力治疗 利用激光的光化学效应,即在有氧条件下光敏剂经激光激发 后,经过一系列光化学反应,产生大量活性氧物质,从而损伤靶 组织达到治疗的目的。 临床诊断技术 激光多普勒技术，利用多普勒效应，测定局部组织的血 流。 光学相干断层成像（OCT）技术：它利用弱相干光干涉仪 的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的 背向反射或几次散射信号

13、，通过扫描，可得到生物组织二维 或三维结构图像。 新能源（激光核聚变） 神光III激光装置 能量100kJ/0.35um (60TW) 脉宽：3ns 完成时间：2012 “激光核聚变与高功率激光：历史与进展”，物理39卷，589 （2010） 非线性光学 1961年，Franken，第一个倍频实验 Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961) “Generation of Optical Harmonics” 光参量振荡 光学自聚焦 光学相位共轭 光学双稳 光孤子 激光在农业方面的应用 主要用于育种，激光照射种子： 能诱发变异，从而改良种子； 刺激生长； 提高发芽率； 促进作物早熟增产； 改变性状。 激光加工 热效应：激光束聚焦到材料 表面产生高热、高压来完成 加工过程，包括激光切割、 激光焊接、激光打标、激光 打孔、激光表面处理和激光 微细加工。 光化学反应：激光束照射到 物体，借助高密度高能光子 诱导或控制光化学反应的加 工过程，包括光化学沉积、 立体光刻、激光刻蚀等。 激光在军事上的应用 激光在商业上的应用 光纤到办公室，光纤到楼层，光纤到户； 超市的条码扫描器； CD播放器； 印有全息防伪标识的商品、信用卡和护照； 激光扫描； 激光打印机； 激光笔。