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1、1,激光原理及应用,2,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、闭卷考试。 平时成绩30%， 考试成绩70%。（微调整）,3,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.,4,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
2、面度量级的立体角内.,5,激 光,辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射,6,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！,7,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,8,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,9,激光技术发展简史之一,实验基础： Prokhorov和H.Townes
3、分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）,Townes,Prokhorov,10,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,11,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。,Maiman,12,激光技术发展简史之一,Maiman的第一台激
4、光器,13,中国第一台激光器（1961）,14,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,15,我国激光器研究情况,16,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，
5、重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等,17,光盘存储器原理激光刻蚀与读出,18,偏振光显微镜,19,激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）,20,激光控制核聚变,21,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,22,激光测距与激光雷达,23,激光切割,24,长度测量,25,生物和医学应用,26,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）,光波是一种电磁波，是E和B的
6、振动和传播。如图（1-1）所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量,图（1-1）电磁波的传播,1、线偏振光,1.1.1 光波,2、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,(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数,(4)三者的关系,在真空中,各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同,1.1.1 光波,3、单色平面波,(1)平面波,(2)单色平面波：具有单一频率的平面波,波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面,平面波：波阵面是平面,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。,理想的单色平面波
7、（简谐波）,两式统一写为：,其中，U为场矢量大小，代表 或 的大小，U0为场矢量的振幅。,设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、 的振动方程分别为:,1.1.1 光波,(2)单色平面波：具有单一频率的平面波,波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播,图（1-1）电磁波的传播,分析： (a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动,(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期
8、为；时间频率为1/T，空间频率为1/,(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化,简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为108 s，,形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。,1.1.1 光波,(3)平面波的复数表示法 光强,线偏振的单色平面波的复数表示：,光强：光强与光矢量大小的平方成正比，即,或,复振幅 :模量 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布,(4)球面波及其复数表示法,球面简谐波方程：,球面波的复数表示法：,1.1.1 光波,在真空中一个光子的能量为 ，动量为 ，则它们与光波频率，波长之间的关系为：,式中h是普朗克常数，h=6.6310-34JS。,1.1.2 光子,
