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1、第2章 激光&半导体光源Laser & Semiconductor Light SourceEmail: QQ: 29667536刘显明提到激光时脑海中的第一印象？什么是激光？LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation激光：受激辐射光放大镭射：LASER的音译LASER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“激光”，既反映 “受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源， 贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。激光原理激光的历史和
2、发展现状原子物理基础激光原理激光的特性激光的历史LIGHT20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。20世纪前微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿； 波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯； 电磁场理论、麦克斯韦方程组19世纪的科学家们进行了关于电磁波 的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应 的概念，揭示了辐射的波粒二象性1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念基础性、探 索性研究基础性、探 索性研究195
3、4年研制成第一台微波激射器(Maser)1958年美国的汤斯、肖洛等提出了激光 的概念和理论设计1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝 石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。我国第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功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
4、染料激光器；Nobel Prize for LASER1900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；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；“in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta“for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the
5、 law of the photoelectric effect“ 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；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；1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存 在；“for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them“ 1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱
6、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；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 振的方法而获得诺贝尔奖。“for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum“ “for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in at
7、oms“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“ 突破1958年Sc
8、hawlow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和Lamb共同研制的 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。激光的发展现状更大为了进行高能物理、 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）中使用的激光系统，其峰值功率达到 1.3PW（1015W），此激光装置有3个任务：一、模拟核爆炸，研究核武器的性能状况；二、模拟超新星等环
9、境，探 索宇宙奥秘；三、制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生 产可持续的清洁能源，保证国家能源安全。国家点火装置国家点火装置（National Ignition Facility，简 称：NIF），是美国的一座激光型核聚变装置 （ICF）。NIF意图使用激光达成极大高温高 压施加于一小粒氢燃料球上启动核聚变反应。 NIF也是人类史上最大的ICF设施，而且目标 是一但点火后就能自给自足长期形成聚变能量 输出。 建造始于1997年，直到2007年8月，96门激光 （原定192门）建造完工，还有48门（新计划 为144门）接近完成。2009年2月，建造大致完 成，总计花费40亿美元。NIF
10、基础平面图。激光产生器在中间偏右，左上方是光学玻璃组 件，经由蓝色管线进到上方扩大器几层强化后纯净的光束进入 红色的汇总器达到银色球体内；整个NIF有三座足球场大。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；仅2微米高的新式表面发射激光器，可以实现单一芯 片上的光学连接更集成 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。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、
11、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；原子物理基础- 原子物理 & 光的本质黑体辐射与“紫外灾难” 19世纪末，卢梅尔等人在进行黑体辐射实验时，发现 黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑 体的温度有关。为了解释黑体辐射实验的结果，物理 学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量， 建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实 比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在 短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以 无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根 本不可能的。所以这个失败被埃伦
12、菲斯特称为“紫外 灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在 黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学 的“灾难”。黑体：一个物体能够完全吸 收任何波长的电磁辐射，则 称此物体为绝对黑体或黑体。 自然界中不存在绝对黑体， 而如图所示的空腔辐射体是 黑体的理想近似。黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数， 并可以用单色能量密度描述，表示单位体积 内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐 射能量，其量纲为。 3/msJ1900年普朗克（Max Plank）提出辐射能量量子的概念在对黑体辐射实验进行理论解释的时候发现，必须大胆的假设： 黑体辐射的能量是不连续的，存在一个最小的能量单元：量子
13、在温度T的热平衡状态下，黑体辐射 平均地分配到腔内处于频率附近的 所有模式上的平均能量为：/1hKThEe 腔内单位体积中，频率处于 附近 单位频率间隔内的电磁场模式数：328 cVdPn 可以得到黑体辐射的普朗克公式：118/33KThechH为普朗克常数h = 6.6210-34Js K为波尔兹曼常数K = 1.3810-23J/T原子结构1803年 道尔顿模型年 道尔顿模型原子都是不能再分的粒子同种元素的原子的各种性质和质量都相同原子是微小的实心球体化学原子学说化学原子学说1904年 汤姆森模型年 汤姆森模型电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负
14、电荷与那些正电荷相互抵消在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线现代原子学说现代原子学说绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但 有少数粒子发生了较大的偏转，并有极少数粒子 的偏转超过90，有的甚至几乎达到180而被反弹 回来，这就是粒子的散射现象。卢瑟福卢瑟福粒子散射实验粒子散射实验1911年 卢瑟福模型年 卢瑟福模型原子的大部分体积是空的在原子的中心有一个很小的原子核原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。Bohr模型轨道定则：电子只能在一些特定轨道上 运动，而且在这样轨道上运动时电子不向 外辐射能量，因而解决了原子的稳定问题玻
15、尔理论三大假设玻尔理论三大假设跃迁定则：电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，要相 应吸收或放出相应的能量。这个定则很好的解释了原子 光谱问题。 角动量定则：电子绕核运动的角动量，必须是普朗克 常量的整数倍。这个定则用于判定哪些轨道是允许的。这三个假设展示出微观世界不连续的特征，是波尔理 论核心，对整个量子理论的建立起了基础性的作用低跃迁跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁： 低辐射跃迁： 高 （自发辐射）吸收能量辐射能量高 h E2 E1玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布由EmEn结论高能级的粒子数目少于低 能级的粒子数目大量粒子所组成的系统在热平衡状态下 粒子按能级的分布规律iE K
16、T iNemnNN光的本质光量子学说及波粒二象性几何光学 波动光学电磁理论 量子理论微粒说波动说电磁说量子说思考1. 光照射到物体上,是否有压力？太阳帆的原理是什么？2. 光能否作为火箭动力?3. 光线一定是直线传播吗？会不会受地球重力的影响？太阳能光动力火箭激光原理- 光与物质相互作用光与物质相互作用的三种过程爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从 量子论观点出发提出辐射与原子相互作 用应该包括三种过程：自发辐射受激辐射受激吸收h E2 E1自发辐射自发辐射 spontaneous radiation普通光源（日光灯、高压汞灯）发光过程为自发辐射各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、 相位不一定相同 为非相干光为非相干光2E1E发光前h发光后N1 、N2：单位体积中处于E1 、E2
