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1、光与现代科技光与现代科技讲座讲座第二章第二章 光源与激光器光源与激光器 光与现代科技讲座光与现代科技讲座 第一章第一章 绪论绪论 2 2第二章第二章 光源与激光器光源与激光器 2 2第三章第三章 光纤与光学传感技术光纤与光学传感技术 4 4第四章第四章 激光在现代医学中的应用激光在现代医学中的应用 4 4第五章第五章 激光在军事技术中的应用激光在军事技术中的应用 4 4第六章第六章 激光在现代工业和加工中的应用激光在现代工业和加工中的应用 4 4 第七章第七章 光与信息技术光与信息技术 4 4第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络 6 6第九章第九章 光学成像、全息与显示技术光学成像、
2、全息与显示技术 2 2第十章第十章 光电集成与纳米技术光电集成与纳米技术 2 2第二章第二章 光源与激光器光源与激光器2.1 光源及其特性光源及其特性1.光源的类别光源的类别2.光源的基本特性参数光源的基本特性参数3.激光的基本特性；激光的基本特性；2.2 激光辐射原理激光辐射原理1.跃迁和辐射跃迁和辐射2.激光器的基本构成激光器的基本构成3.激活粒子的能级系统激活粒子的能级系统4.激光输出模式激光输出模式2.3 激光器的类型激光器的类型1.气体激光器气体激光器2.固体激光器固体激光器3.染料激光器染料激光器4.半导体激光器半导体激光器5.光纤激光器光纤激光器 2.1 光源及其特性光源及其特性
3、发光是由于自发辐射或受激辐射导致的。凡是能发光是由于自发辐射或受激辐射导致的。凡是能辐射光波的物体均为辐射光波的物体均为光源光源按照光源的性质，光源可分为自然光源和人造光按照光源的性质，光源可分为自然光源和人造光源、相干光源和非相干光源等。源、相干光源和非相干光源等。自然光源自然光源：是自然界中存在的，如太阳、恒星等：是自然界中存在的，如太阳、恒星等人造光源人造光源：是人为地将各种形式的能量，如热能、：是人为地将各种形式的能量，如热能、电能、化学能转换为光辐射能的器件，其中利用电能、化学能转换为光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源，如激光器等电能产生光辐射的器件称为电光源，如
4、激光器等相干光源相干光源：频率相同、振动方向相同，相位差恒：频率相同、振动方向相同，相位差恒定的光源定的光源非相干光源非相干光源1、光源类别、光源类别19601960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。年一种神奇的光诞生了，它就是激光。什么是激光？什么是激光？激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原理和光放大过程产生出来的一种特殊光。理和光放大过程产生出来的一种特殊光。激光的英文名称是激光的英文名称是 LaserLaser，它是英语短语，它是英语短语“受激发受激发射光射光（light amplification by stimulated emis
5、sion of radiation）放大放大”中每个实词第一个字母组成的缩中每个实词第一个字母组成的缩略词，它包含了激光产生的由来。略词，它包含了激光产生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人一鸣惊人”。二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激光光激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事
6、情！让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。高方向性高方向性颜色极纯颜色极纯-单色性强单色性强 相干性强，3.激光的特性激光的特性高强度，高亮度；高强度，高亮度；激光是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主激光是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主要特点：要特点：普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立光，而激光的发光方向可以限
7、制在小于几个毫弧度立光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性激光束发散角小，接近衍射极限，约为激光束发散角小，接近衍射极限，约为激光束发散角小，接近衍射极限，约为激光束发散角小，接近衍射极限，约为10101010-3-3-3-3rad
8、radradrad量级，量级，量级，量级，对应的主体角在对应的主体角在对应的主体角在对应的主体角在10101010-6-6-6-6srsrsrsr量级。普通光源发出的光辐射量级。普通光源发出的光辐射量级。普通光源发出的光辐射量级。普通光源发出的光辐射沿沿沿沿4 4 4 4 立体角分布，比激光束大立体角分布，比激光束大立体角分布，比激光束大立体角分布，比激光束大101010106 6 6 6倍。激光束是高度倍。激光束是高度倍。激光束是高度倍。激光束是高度平行的光束。平行的光束。平行的光束。平行的光束。1.1.方向性好方向性好它发射出去的光，基本上是一条直的平行光束。它发射出去的光，基本上是一条直
9、的平行光束。光束发散角光束发散角=2 探照灯：探照灯：35毫弧度毫弧度1度度激激 光：光：10-2毫弧度毫弧度sr激光的高方向性激光的高方向性具有单一频率的光波称为单色光。具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好单色性越好谱线宽度谱线宽度：通常用强度下降到：通常用强度下降到的两点之间的波长范围的两点之间的波长范围 ：谱线宽度是标志谱线单色
10、性好坏的物理量谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量单色光：2.2.单色性好。单色性好。光波的单色性可表示为光波的单色性可表示为 氦氖激光的单色性比单色性最好的普氦氖激光的单色性比单色性最好的普通光源，如氪灯好通光源，如氪灯好 倍。倍。谱线宽度谱线宽度中心波长中心波长=激激光光问问世世前前，最最好好的的单单色色光光是是氪氪灯灯发发出出的的光光，而而激激光光比比氪氪灯灯光光的的单单色色性性高高出出几几十万倍。十万倍。激光的激光的颜色极纯颜色极纯单色性强单色性强光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各普通光源发出的光通常
11、包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的励某些化学反应等科学实验
12、提供了极为有利的手段。手段。激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用 开关的开关的开关的开关的激光器，可输出脉宽激光器，可输出脉宽激光器，可输出脉宽激光器，可输出脉宽10101010-9-9-9-9s s s s左右的光脉冲，使用锁模左右的光脉冲，使用锁模左右的光脉冲，使用锁模左右的光脉冲，使用锁模技术，可产生技术，可产生技术，可产生技术，可产生10101010-14-14-14-14s s s s的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量被集中在极的光脉冲。由于能量
13、被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。短的时间内发射出来，因此光功率极高。短的时间内发射出来，因此光功率极高。短的时间内发射出来，因此光功率极高。3.3.高高强强度度和和高高亮亮度度。激激光光是是当当代代最最亮亮的的光光源源，只只有有氢氢弹弹爆爆炸炸瞬瞬间间强强烈烈的的闪闪光光才才能能与与它它相相比比拟拟。太太阳阳光光亮亮度度大大约约是是10103 3瓦瓦（厘厘米米2 2.球球面面度度），而而一一台台大大功功率率激激光光器器的的输输出出光光亮亮度度经经太太阳阳光光高高出出7 71414个个数数量量级级，即激光的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍，即激光的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍，一台
14、普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高度高8 8个数量级个数量级(几千万倍）几千万倍）强激光甚至可产生上亿度的高温。强激光甚至可产生上亿度的高温。尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。这一特性。地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强地球上任何一种已知材料，无论
15、其熔点多高，在强激光照射下激光照射下1 1秒钟之内即可开始气化；任何一种金秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。对它打孔。干涉是波动现象的一种属性。由于激干涉是波动现象的一种属性。由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性。激具有极好的时间相干性和空间相干性。激光的这一特性使全息照相成为现实。光的这一特性使全息照相成为现实。特制的氦特制的氦 氖激光器输出的光束，相氖激光器输出的光束，相干长度达干长度达2 2 10107 7kmkm。氪灯
16、只有。氪灯只有38.5cm38.5cm。4.4.相相干干性性好好、偏偏振振性性好好。激激光光即即便便从从各各点点发发出出的的光光，也也如如同同从从一一个个点点发发出出的的光光一一样样，具有相同的频率、相位和振动方向。具有相同的频率、相位和振动方向。所谓激光技术，就是所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法探索开发各种产生激光的方法以以及探索及探索应用应用激光的这些特性为人类造福的激光的这些特性为人类造福的技术技术的总称的总称自自19601960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于我国也于19611961年研制成功国产首台红宝石激光器以来，年研制成功国产首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是激光技术被认为是2020世纪继量子物理学、无线电技术、世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。一重大科学技术新成就。3030多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而
