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1、1物理学与激光物理学与激光(laser)技术技术20.激光的发展简史激光的发展简史1.激光的基本原理激光的基本原理2.激光技术应用简介激光技术应用简介3.激光技术的基本内容激光技术的基本内容4.激光技术的前景激光技术的前景3 19161916年，爱因年，爱因斯坦提出了斯坦提出了“受激受激辐射辐射”的概念，奠的概念，奠定了激光的理论基定了激光的理论基础。础。19581958年，贝尔实验室的年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。发展的基础。0.激光的发展简史激光的发展简史4 这两次发明开创了传统的固体激这两次发明
2、开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子激体激光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。特光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。和微电子为主的信息时代。19621962年，年，HeHeNeNe气体激光器在美气体激光器在美国贝尔实验室研制成
3、功。国贝尔实验室研制成功。19601960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(T.H.Maiman)(T.H.Maiman)发明了世界上发明了世界上第一台红宝石激光器。第一台红宝石激光器。Maiman5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年年Einstein的的理
4、理论论预预言言：光光子子和和原原子子相相互互作作用用包包含含三三种种过过程程:自自发发辐辐射射、受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射（按按此此模模型型推推导导出出和和实实验验完完全全符符合合的的黑黑体体辐辐射射Planck公公式式），提提出出在在物物质质与与辐辐射射场场的的相相互互作作用用中中，构构成成物物质质的的原原子子或或分分子子可可以以在在光光子子的的激激励励下下产产生生光光子子的的受受激激发发射射或或吸吸收收，预预示示了了有有可可能能利利用用受受激激发发射射实实现现光光放放大大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiatio
5、nLASER）理论工作指出：受激辐射光波与激励光波同相位、理论工作指出：受激辐射光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振同方向、同频率、同偏振71954年汤斯年汤斯(Townes)、巴索夫、巴索夫(Basov)、普、普洛霍诺夫洛霍诺夫(Prokhorov)利用原子、分子的受利用原子、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子微波量子振荡器(Maser)-量子电子学量子电子学1958年汤斯、肖洛年汤斯、肖洛(Schawlow)尺度远大尺度远大于波长的开放式光谐振腔（于波长的开放式光谐振腔（Fabry-Perot）布隆伯根（布隆伯根（Bl
6、oembergen）利用光泵浦三）利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布能级原子系统实现粒子数反转分布1960年梅曼（年梅曼（Maiman）世界上第一台红宝）世界上第一台红宝石激光器石激光器81961年：年：He-Ne激光器、第一台调激光器、第一台调Q激光激光器、钕玻璃激光器器、钕玻璃激光器1962年：砷化镓（年：砷化镓（GaAs）半导体激光器）半导体激光器1963年：激光器的半经典理论年：激光器的半经典理论1964年年：氩离子（氩离子（Ar+）激光器、二氧化）激光器、二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石（碳激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器激光器1965年：铌酸锂光参量振荡器年：铌酸
7、锂光参量振荡器1966年：固体锁模激光器、染料激光器年：固体锁模激光器、染料激光器1970年：准分子激光器年：准分子激光器1977年：红外波段的自由电子激光器年：红外波段的自由电子激光器9发发明明了了近近百百种种不不同同类类型型的的激激光光器器件件，其其发发明明者都有完全不同者都有完全不同 的专业背景的专业背景 各各种种学学科科和和技技术术应应用用激激光光并并形形成成了了许许多多重重要要的的交交叉叉学学科科：如如光光电电子子学学、激激光光光光谱谱学学、激激光光化化学学、非非线线性性光光学学、激激光光全全息息术术、激激光光生生物物医医学学、激激光光计计量量、超超快快光光电电子子学学、激激光光加加
8、工处理工处理.形形成成了了一一系系列列重重要要技技术术应应用用领领域域，光光子子产产业业方兴未艾方兴未艾它的历史是一部典型的交叉学科的发展史：它的历史是一部典型的交叉学科的发展史：10 1.激光的基本原理激光的基本原理 按量子力学，原子只能稳定地存在于一系列能量不按量子力学，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只能在某两个定态之间进行,称之为跃迁。光子与原子称之为跃迁。光子与原子相互作用中，存在三种跃迁。即：相互作用中，存在三种跃迁。即：受激吸收、自发辐射受激吸收、自发辐射和受激
9、辐射。和受激辐射。E1E3E211处于基态处于基态E E1 1的原子，没有外来影响时状态不变。如有一的原子，没有外来影响时状态不变。如有一个外来光子，能量为个外来光子，能量为hvhv，与该原子发生相互作用。且，与该原子发生相互作用。且 ，E E2 2为原子的某一较高的能量状态为原子的某一较高的能量状态激发态。则原子激发态。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。过程被称之为原子吸收。注意注意:只有外来光子的能量只有外来光子的能量hvhv恰好等于原子的某两能级恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收之差时，光子才
10、能被吸收。受激吸收受激吸收 E1E3E2图1-1 原子吸收示意图hvE1E3E212 处于高能态的原子是不稳定处于高能态的原子是不稳定,它们在激发态停留的它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为时间非常短（数量级约为1010-8-8s s），会自发地返回基态），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。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原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2 自发辐射示意图E1E3E2自发辐射自发辐射
11、 处于高能态的原子是不稳定处于高能态的原子是不稳定,它们在激发态停留的它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为时间非常短（数量级约为1010-8-8s s），会自发地返回基态），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。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。自发辐射自发辐射13自发辐射的特点是：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与外界作用无关，各原子的辐射都是独立进行的。
12、因而所发光子的频率、位相、传播方向等的。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。都不同。发出的光的波列是不相干的。例：例：霓虹灯，充惰性气体，管两端加高电压激霓虹灯，充惰性气体，管两端加高电压激发气体原子，当它们从激发态跃迁回基态时，发气体原子，当它们从激发态跃迁回基态时，便放出五颜六色的光。其频率复杂，发光各向便放出五颜六色的光。其频率复杂，发光各向都有，位相不同都有，位相不同普通光源的自发辐射。普通光源的自发辐射。14 受激辐射受激辐射 处于激发态的原子，在自处于激发态的原子，在自发辐射前，若受到一外来光子发辐射前，若受到一外来光子的作用，而且其能量恰好满足的
13、作用，而且其能量恰好满足 ，原子就有可能从，原子就有可能从E E2 2跃迁至跃迁至E E1 1，同时放出一个与外来光子状，同时放出一个与外来光子状态完全相同的光子。态完全相同的光子。受激受激辐射。辐射。Light or laser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图图1-3 受激辐射示意图受激辐射示意图15 是在外界光子的刺激下发生的，而且辐射出的光子，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，向等。即状态完全相同。受激辐射过程中，输入
14、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其他原子上，产生受激辐射，从而获得大量完全相同的光子子受激辐射光放大。受激辐射光放大。受激辐射的特点是：受激辐射的特点是：hvhvhvhvhvhvhv输入输出图1-4 光放大示意图E2E1N2N1全同光子全同光子h 16产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件 原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布，原子在各能级上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！即低能级上的原子数多，能级越
15、高原子数越少！光通过物质时，受激吸收占优势。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通常，物质中原子的三种跃迁受激吸收、自发辐受激吸收、自发辐射和受激辐射。射和受激辐射。同时存在，同时存在，哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。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。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：这一过程称为：“激励激励”或或“泵浦泵浦”（Pump）。）。B 工作物质内必须存在亚稳态能级。工作物质内必须存在亚稳态能级。10-8秒秒几毫秒几毫秒能级能级基态基态激发态激发态亚稳态亚稳态（1 1）粒子数反
16、转）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数多于低能级的原子数粒子数反转粒子数反转如如何何实实现现粒粒子子数数反反转转？不是所有物质都有亚稳态能级不是所有物质都有亚稳态能级 不是一切不是一切物质都可以作为激光器的工作物质。物质都可以作为激光器的工作物质。18实现粒子数反转的两种系统实现粒子数反转的两种系统(a)三能级系统三能级系统红宝石激光器红宝石激光器光激励光激励光光抽抽运运无辐射跃迁无辐射跃迁19 (b)四能级系统四能级系统抽抽运运激励激励无辐射跃迁无辐射跃迁20（2 2）光学谐振腔）光学谐振腔光光学学谐谐振振腔腔，是是在在激激光光器器两两端端，面面对对面面地地装装上上两两块块反反射射率率很很高高的的平平面面镜镜，一一块块镜镜对对光光全全反反射射，另另一一块块对对光光大大部部分分反反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。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反射镜可使光反射镜可使光沿工作物质轴线沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经在反射镜间来
