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1、1,物理学与激光(laser)技术,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射的光放大”,1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-激光,2,0. 激光的发展简史 1. 激光的基本原理 2. 激光技术应用简介 3. 激光技术的基本内容 4. 激光技术的前景,3,0. 激光的发展简史,4,5,光学的范畴,狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics（光学）这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。 广义来讲，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的、关于电磁辐射的发生、传播、接收和显
2、示、以及跟物质相互作用的科学。,分支：几何光学、波动光学、大气光学、 海洋光学、 量子光学、光谱学、生理光学、 电子光学、集成光学、 空间光学,6,激光发展简史,1917年Einstein的理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射（按此模型推导出和实验完全符合的黑体辐射Planck公式），提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER ） 理论工作指出：受激辐射
3、光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振,7,1954年汤斯(Townes)、巴索夫(Basov)、普洛霍诺夫(Prokhorov) 利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念，实现氨分子微波量子振荡器(Maser)-量子电子学 1958年汤斯、肖洛(Schawlow)尺度远大于波长的开放式光谐振腔（Fabry-Perot） 布隆伯根（Bloembergen）利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布 1960年梅曼（Maiman）世界上第一台红宝石激光器,8,1961年：He-Ne激光器、第一台调Q激光器、钕玻璃激光器 1962年：砷化镓（GaAs）半导体激光器 1963年：激光器的半
4、经典理论 1964年：氩离子（ Ar+）激光器、二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器 1965年：铌酸锂光参量振荡器 1966年：固体锁模激光器、染料激光器 1970年：准分子激光器 1977年：红外波段的自由电子激光器,9,发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有完全不同 的专业背景 各种学科和技术应用激光并形成了许多重要的交叉学科：如光电子学、激光光谱学、 激光化学、非线性光学、激光全息术、激光生物医学、 激光计量、超快光电子学、激光加工处理 形成了一系列重要技术应用领域，光子产业方兴未艾,它的历史是一部典型的交叉学科的发展史：,10, 1. 激光的基本原理 按量子力学
5、，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行,称之为跃迁。光子与原子相互作用中，存在三种跃迁。即：受激吸收、自发辐射和受激辐射。,11,处于基态E1的原子，没有外来影响时状态不变。如有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且 ，E2为原子的某一较高的能量状态激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。注意:只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。,受激吸收,12,处于高能态的原子是不稳定,它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），会自发地返回基态
6、去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。,自发辐射,处于高能态的原子是不稳定,它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。,自发辐射,13,自发辐射的特点是： 与外界作用无关，各原子的辐射都是独立进行的。因而所发光子的频率、位相、传播方向等都不同。发出的光的波列是不相干的。 例：霓虹灯，充惰性气体，管两端加高电压激发气体原子，当它们从激发态
7、跃迁回基态时，便放出五颜六色的光。其频率复杂，发光各向都有，位相不同普通光源的自发辐射。,14,受激辐射处于激发态的原子，在自发辐射前，若受到一外来光子的作用，而且其能量恰好满足 ，原子就有可能从E2跃迁至E1，同时放出一个与外来光子状态完全相同的光子。受激辐射。,15,是在外界光子的刺激下发生的，而且辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向等。即状态完全相同。受激辐射过程中，输入一个光子，可输出两个和原来完全相同光子。这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，从而获得大量完全相同的光子受激辐射光放大。,受激辐射的特点是：,16,产生激光的基本条件,原子在各能级上
8、的分布服从玻尔兹曼分布，即低能级上的原子数多，能级越高原子数越少！ 光通过物质时，受激吸收占优势。,通常，物质中原子的三种跃迁受激吸收、自发辐射和受激辐射。同时存在， 哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。,17,A 必须从外界输入能量，使粒子跃迁到高能级上去。,这一过程称为：“激励”或“泵浦”（Pump）。,B 工作物质内必须存在亚稳态能级。,（1）粒子数反转,要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子 数多于低能级的原子数粒子数反转,如何实现粒子数反转？,18,实现粒子数反转的两种系统,(a) 三能级系统,红宝石激光器,19,(b)四能级系统,20,（2）光学谐振腔,光学谐振腔，是在激光器
9、两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块镜对光全反射，另一块对光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。,反射镜,激励源,工作物质,激光,谐振腔,21,反射镜可使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经过一次工作物质光放大一次，被反射的光，继续诱发新的受激辐射，光在谐振腔内来回振荡，获得雪崩式地放大，从部分反射镜面输出，得到激光。,受激辐射源于自发辐射，自发辐射包含较大范围的波长，它们被放大后，导致了非单一波长的光输出。在反射镜上镀一层膜，只对某个波长的光才能来回反射，其它的光经过一次反射镜时就逸出腔外。,22,光学谐振腔的作用：,1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；
10、,2.增强光放大作用（延长了工作物质）；,3.使激光具有极好的单色性选频,23,（3）阈值条件,在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值条件。,在设计谐振腔时，可以使特定波长的光满足阈值条件，形成激光输出。,24,激光器的组成,组成：工作物质、泵浦源、光学谐振腔,激光,激光器结构示意图,25,按输出方式分：,脉冲输出,连续输出,按工作物质 ：,自由电子激光器,激光器的分类,26,红宝石激光器,氦氖激光器,氩离子激光器,染料激光器,27,激光的特性 (
11、Laser output-beam properties),单色性： 指光强按频率的分布状况，激光的频谱宽度非常窄 相干性：时间相干性和空间相干性都很好 方向性：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发散角很小 高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大,28,空间相干性和方向性是紧密联系的，与激光的横模结构相联系。（横模代表光腔模式的横向光场分布） 如果激光是单横模结构，同一模式内的光波场是空间相干的；而另一方面，单横模结构又具有最好的方向性。反之，如果激光是多横模结构，由于不同模式的光波场是非相干的，所以激光的空间相干性程度减小；另一方面，多横模意味着方向性变差（高
12、次模发散角加大）,29,为了提高激光器的空间相干性，应限制激光器工作在单横模；合理选择光腔的类型以及增加腔长以利于提高光束的方向性 激光所能达到的最小光束发散角还要受到衍射效应的限制，它不能小于激光通过输出孔径时的衍射角m 设输出孔径为2a，则衍射极限为,30,激光束的空间相干性和方向性对它的聚焦性能有重要影响。 当一束发散角为的单色光被焦距为F的透镜聚焦时，焦平面光斑直径D为,31,时间相干性和单色性是紧密联系的c=1/ ， -频带宽度 光源的单色亮度定义为单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率,四性本质上归结为：激光具有很高的光子简并度。激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强
13、。这一特性正是由于受激辐射的本性和激光腔的选模作用才得以实现的。,32,激光的特性1.单向性极好：普通光源向四面八方传播，能量分散。而激光沿一直线传播，能量集中。定位、测距、导航例如，若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通光束直径则已经扩展为几十米。,.相干性好： 光的干涉、衍射实验、全息照相、激光光谱,33,.单色性极强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2纳米，而氦氖激光器发射的激光的谱线宽度只有10-9纳米。可作为计量工作的基准光源。例如，用单色、稳频激光器作为光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过1微秒，大大超过原子钟的计时精度。,
14、34,.高亮度：光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量。普通光源的亮度相当低，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。,激光的能量高度集中在直径极小的区域内（10-3mm）产生几百万度的高温。1kw的CO2激光器发出的激光聚焦后，几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧穿。 金属钻孔、焊接、切割、表面热处理、表面氧化,35,1993年五月，德国不来梅射线技术研究所所长泽玻特教授来华讲学带来一幅漫画，漫画的意思是：,一个小偷潜入一家银行，利用一台小型便携式激光器，从容地打开保险柜锁，将里面的财务洗劫一空，然后再
15、将锁焊上而没有留下任何痕迹。,1. 方向性好、亮度高能量集中，功率密度高。,2. 工具与工件无机械接触，可加工传统方法无法加工的特殊材料。,3. 激光加工精度高，速度快，切割、焊接、表面处理,激光加工原理：,不透光的介质吸收光能，光能转换成热能而对材料进行加工。,36,典型激光器简介,激光器基本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分 (A laser medium, suitable optical feedback elements, and a pumping process.) 1、工作物质是激光器的核心,激光器的组成 (Essential elements of a laser)
16、,37,谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈 谐振腔是激光器的重要部件，不仅是形成激光振荡的必要条件，而且还对输出的模式、功率、光束发散角等均有很大影响 谐振腔由全反射镜和部分反射镜（输出反射镜）组成，激光由部分反射镜输出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔,2、谐振腔,38,泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels. )Practical laser materials can be pumped in many ways. 光激励-用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光 放电激励-在放电过程中，气体分子（或原子，离子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转,
