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1、激光原理简介激光的发展历史激光器的基本原理激光器的应用及前景* *1 1LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) 辐射的受激发射的光放大激光是20世纪的四 项重大的 发明之一DateDate2 2激光的发展历史从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以 后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电 磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球 上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预 测，然后再通过努力加以证明和实现，如
2、相对论、核衰变、 核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学 理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。 激光是激光是2020世纪以来，继原子能、计算机、半导世纪以来，继原子能、计算机、半导 体之后，人类的又一重大发明。体之后，人类的又一重大发明。 DateDate3 3激光发明的理论基础可以追溯到激光发明的理论基础可以追溯到19171917年，著名的年，著名的 物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时 候发现，除了候发现，除了受激吸收受激吸收和和自发辐射跃迁自发辐射跃迁过程外，还存过程外，还存 在在受激辐射跃迁受激辐射跃迁过程。
3、过程。 2020世纪世纪5050年代初，电子学和微波技术的应用提出年代初，电子学和微波技术的应用提出 了将无线电技术从微波推向光波的要求。了将无线电技术从微波推向光波的要求。n从微波振荡器到光波振荡器n微波振荡器的实现原理： 一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔； 利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。n1952年，美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论 去放大电磁波。DateDate4 4n1954年，美国的汤斯(Charles H.Towns)、苏联的巴索夫 (Nikolai G.Baso
4、v)和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第 一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser), 抛弃了 利用自由 电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原 子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。 n1958年，汤斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)抛弃了一个尺度 和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长 的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。 布隆伯根 (Nicolaas Bloembergen) 提出了利用光泵浦三能级原子系统实 现原子数反转分布的新构想。 汤斯和肖洛在Physis Revies 上发表论文，指出了实现 受
5、激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需要满足的 条件。DateDate5 5C.H.TownesC.H.Townes A.M.ProkhorovA.M.ProkhorovN.G.BasovN.G.Basov汤斯汤斯19541954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反 转，研制了微波激射器和激光器；转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫普罗霍洛夫和和巴索夫巴索夫19581958年年 几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光 器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发
6、明器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明 。The Nobel Prize in Physics 1964The Nobel Prize in Physics 1964DateDate6 6n1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。 n美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼演示的。 n波长为694.3nm的激光DateDate7 7至此，一门新的科学技至此，一门新的科学技术术量子电子学中的激光量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速技术以科学史上罕见的高速 度向前发展！度向前发展！ DateDate8 819611961年年 2 2月（月
7、（A.JavanA.Javan）研制成了）研制成了HeNeHeNe混合气体激光器混合气体激光器。 有人提出了有人提出了QQ调制技术，调制技术，并制成第一台调并制成第一台调QQ激光器激光器。 为什么要调为什么要调QQ？ 制成了钕玻璃脉冲激光器。制成了钕玻璃脉冲激光器。 19621962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAsGaAs）半导体激光器运转的报道。）半导体激光器运转的报道。 仅仅1961196219611962年间世界各国发表年间世界各国发表的激光方面的论文达的激光方面的论文达200200篇以上篇以上。DateDate9 9196
8、31963年建立了激光的半经典理论。年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的善的探讨。探讨。 19641964年研制成了年研制成了 氩离子（氩离子（ArAr+ +）离子气体激光器）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器二氧化碳气体激光器 化学激光器（化学激光器（HFHF氟化氢）氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器掺钕的钇铝石榴石固体激光器 19651965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理半经典理论预言了锁模效应的存在。论预言了锁模效应的存在。 DateDate101019661966年研
9、制成了年研制成了固体锁模激光固体锁模激光器器获得了超短脉冲。获得了超短脉冲。为什么要锁模？为什么要锁模？19701970年研制成了年研制成了准分子激光器准分子激光器。19771977年研制成了红外波段的年研制成了红外波段的自由电子激光器自由电子激光器（FELFEL ）19841984年研制出年研制出光孤子激光器光孤子激光器（SLSL） 因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺 贝尔物理学奖的科学家共有贝尔物理学奖的科学家共有1010位位. .19671967年研制成了年研制成了射线激光器射线激光器。DateDate1111拉姆齐（Ramsey， Norman
10、 F，1915）美国物理学家。因发展了原子 精确光谱学和发明了分离 振荡场方法以及将其用于 氢微波激射器和原子钟而 获得1989年诺贝尔物理学奖金。DateDate1212朱棣文（1948），美籍华裔物理学家。1997年，朱棣文因发明用激光冷却和俘获原子的方法获得诺贝尔物理学奖。 科昂-塔努吉（Cloder Cohen Tanuky，1933）法国物理学家，1997年诺贝尔物理奖得主。他利用“磁阱”技术，成功地将原子温度降低到了与绝对零度只相差百万分之一度的程度。菲利普斯（Felipus，William，1948）美国物理学家，1987年他运用“磁阱”技术，改进了原子在激光照射下温度骤降的方法
11、，使冷却温度进一步 降低。因此获得1997年诺贝尔物理奖。 DateDate1313n1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。 n1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。 n神光I、神光II、神光IIIDateDate1414（built in 1986 2beam /built in 1986 2beam /f f200mm, 200mm, 1.6KJ/11.6KJ/1w w/1ns /1ns ）神光神光I I 装置的两路激光系统装置的两路激光系统DateDate1515二、激光的基本构
12、成 n产生激光的必要条件1. 1. 实现粒子数反转实现粒子数反转 . .使原子被激发使原子被激发 . .要实现光放大要实现光放大 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源 激激 光光 构构 造造 三三 要要 素素 DateDate1616激励能源增益介质谐振腔谐振腔全反全反 射镜射镜部分部分 反射镜反射镜 (99(99) )谐振腔，增益介质，谐振腔，增益介质， 激励能源。激励能源。1. 1. 基本构成部分基本构成部分2. 2. 激光的形成激光的形成光束在谐振腔内光束在谐振腔内 来回振荡，在增来回振荡，在增 益介质中的传播益介质中的传播使光得以放大，使光得以放大， 并输出激光。并输
13、出激光。DateDate1717（一）自发辐射（一）自发辐射 受激辐射受激辐射1 1、自发辐射、自发辐射原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发 态的高能级E2自动跃迁到低能级E1, 这种跃迁称为自 发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。.发光前.。发光后自 发 辐 射DateDate18182 2、受激吸收、受激吸收原子吸收外来光子能量原子吸收外来光子能量h hn n, , 并从低能级并从低能级E E1 1跃迁到高跃迁到高能级能级E E2 2, , 且且E E2 2- -E E1 1= =h hn n, , 这个过程称为这个过程称为受激吸收受激吸收。 吸收后。.吸收前.受激吸收D
14、ateDate19193 3、受激辐射、受激辐射由由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光激光 。原子中处于高能级原子中处于高能级E E2 2的电子的电子, ,会在外来光子会在外来光子( (其频率其频率恰好满足恰好满足h hn n= =E E2 2- -E E1 1) )的诱发下向低能级的诱发下向低能级E E1 1跃迁跃迁, , 并发出并发出与外来光子一样特征的光子与外来光子一样特征的光子, , 这叫这叫受激辐射受激辐射。.。发光前发光前 发光后发光后受激辐射的光放大受激辐射的光放大 示意图示意图DateDate2020（二）激光原理（二）激光原理
15、1 1、粒子数正常分布和粒子集居数反转分布、粒子数正常分布和粒子集居数反转分布N N1 1 N N2 2表明表明 , , 处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种 分布叫做分布叫做粒子数的正常分布粒子数的正常分布。N N2 2 N N1 1叫做粒子集居数反转，简叫做粒子集居数反转，简称称粒子数粒子数反转或称反转或称集居数反转集居数反转。已知粒子数的正常分布粒子数的正常分布. 。 。粒子数反转分布粒子数反转分布.。 。DateDate2121从外界输入能量（如光照从外界输入能量（如光照, ,放电等）放电等） , , 把低能级把低能级 上的原子激发到高能级上去上的原子激发到高能级上去, , 这个过程叫做这个过程叫做激励激励（也（也 叫泵浦叫泵浦-pump-pump）. .红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图. . .。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态DateDate22222 2、光学谐振腔、光学谐振腔 激光的形成激光的形成光光在在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的 光子数不断增加光子数不断增加, ,从而获得很强的光从而获得很强的光, ,这种现象叫做这种现象叫做光振荡光振荡。加强光须满足加强光须满足驻波条件驻波条件. . . . . .
