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1、1960年年5月（美国）梅曼制成世界上第一台月（美国）梅曼制成世界上第一台激光器激光器我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密机械研究室王之江等几位同事共同实验研制的。机械研究室王之江等几位同事共同实验研制的。工作物质是红宝石晶体。工作物质是红宝石晶体。时间是时间是1961年年9月。月。激光是一种新光源，也是一门新激光是一种新光源，也是一门新兴的科学技术兴的科学技术激光的特性1.方向性好方向性好激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级。普通光源发出的光辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。1962年，人类第一次从地球向月亮发射激光束，散开的
2、光斑只有几百米，亮度有lx,而即使用最强的探照灯，射到月亮上散开的光斑比月球还大，亮度也只有lx。激光的特性2.单色性好单色性好光波的单色性可示为=中心波长中心波长谱线宽度谱线宽度 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。氦氦氖激光器发出的光波长为氖激光器发出的光波长为632.8nm,波长范围为波长范围为激光的特性3.高亮度高亮度 一般规律认为，光源在单位面积上向某一一般规律认为，光源在单位面积上向某一一般规律认为，光源在单位面积上向某一一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源方向的单位立体角
3、内发射的功率，就称为光源方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。激光在该方向上的亮度。激光在该方向上的亮度。激光在该方向上的亮度。激光由于能量被集中在极由于能量被集中在极由于能量被集中在极由于能量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。激光的特性4.相干性好相干性好 由于激光具有高单色性和高定向性，决由于激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定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性。性。特制的氦
4、特制的氦 氖激光器输出的光束，相干氖激光器输出的光束，相干长度达长度达2 107km。氪灯只有。氪灯只有38.5cm。空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），埃）， 相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。由此我们可以得出激光的一系列特性，方向性好，单色性好，高亮度，色性好，高亮度，相干性好。相干性好。正因正因为激光有激光有这些些较好特性，因而在生活和好特性，因而在生活和军事上等有很广泛的事上等有很广泛的应用。用。激光的应用1.激光加工激光加工利用聚焦激光束具有极高功率密利用聚焦激光束
5、具有极高功率密度的特性，可以对材料进行打孔、切割、度的特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、划片、雕刻和热处理等。焊接、划片、雕刻和热处理等。激光的应用 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。金属熔化后冷却结晶形成焊接。 激光的应用2 2. .激光军事激光军事激光枪：用激光代替子弹的枪。有效射程达8000多米，在敌人身上灼烧出约半厘米大小的致命伤口。激光的应用激光枪能使人立即疼痛，倒地。特制激光枪只要照射到人眼里，就会使人
6、立即失明，但对人眼并无太大伤害，过几天即可恢复视力。激光的应用激光制导激光制导利用激光获得制导信息或传输制导指令使导弹利用激光获得制导信息或传输制导指令使导弹按一定导引规律飞向目标的制导方法。按一定导引规律飞向目标的制导方法。激光制导导弹激光制导导弹:装有激光制导装置、能自动导向装有激光制导装置、能自动导向目标的炸弹。具有射程远、命中精度高、威力大和较强目标的炸弹。具有射程远、命中精度高、威力大和较强的抗电子干扰能力。投射时，它是利用载机上的激光照的抗电子干扰能力。投射时，它是利用载机上的激光照射器，先向目标照射激光束，经目标反射后，由装在炸射器，先向目标照射激光束，经目标反射后，由装在炸弹头
7、部的激光导引头接收，再经光电变换形成电信号，弹头部的激光导引头接收，再经光电变换形成电信号，输入炸弹控制舱，控制炸弹舵面偏转，导引炸弹飞向目输入炸弹控制舱，控制炸弹舵面偏转，导引炸弹飞向目标。激光制导炸弹在普通气象条件下捕获目标率高，遇标。激光制导炸弹在普通气象条件下捕获目标率高，遇有雨、雾、灰尘、水时命中精度降低。有雨、雾、灰尘、水时命中精度降低。激光的应用激光侦察对抗激光侦察对抗激光侦察军事上占有十分重要位。利用激光侦察军事上占有十分重要位。利用激光技术进行多光谱摄影激光技术进行多光谱摄影( (全息摄影全息摄影) )，可以识，可以识别伪装目标。各种物体对各种光吸收和反射能别伪装目标。各种物
8、体对各种光吸收和反射能力不同，可以底片上引起不同感光反应而实现力不同，可以底片上引起不同感光反应而实现对目标侦察。海湾战争中，美国利用这一技术，对目标侦察。海湾战争中，美国利用这一技术，发现了伊拉克严密伪装树林里坦克和导弹发射发现了伊拉克严密伪装树林里坦克和导弹发射架。架。激光对抗可对激光测距进行欺骗，使其无激光对抗可对激光测距进行欺骗，使其无法测定其真实距离或使导弹改变弹道。激光对法测定其真实距离或使导弹改变弹道。激光对抗还可对激光进行干扰。抗还可对激光进行干扰。Company L灭蚊激光炮Company L灭蚊激光炮的原理灭蚊过程可以分成探测、识别、验证和消灭四个阶段。首先，红外线发光二极
9、管会射出红外线，照射到对面的逆反射条再反射回来，形成一个光回路，被CCD接收。如果有任何物体遮挡住反射光线，CCD就会捕捉到物体的影子，交由计算机进行图像分析，整个过程的原理与一些银行或博物馆的安全系统很像。接下来，如果初步判断“入侵者”可能是蚊子的话，一束不具杀伤性的激光将会射向这个飞行物，来判断它的体型、振翅频率，以进一步识别它的种类。这个过程能够分辨蚊子和其他飞虫，甚至能辨别蚊子的性别因为和雄蚊子相比，雌蚊子的振翅频率更低一些。然后，如果确认是需要消灭的雌蚊子，激光炮将会再发出一束无害激光，确保激光头和蚊子之间没有其他障碍物。最后，杀伤性激光射出，一道轻烟之后，蚊子被击落。它们将会因为高
10、温而死去，或者因为翅膀被烧焦而丧失飞行能力。Company L灭蚊激光炮的优势和前景激光武器不像高射炮那样需要测距之后再发射，而和光速比起来，飞行中的蚊子就像悬在空中的雕像一样稳定，不会打偏。而且，杀灭蚊子这样的小昆虫并不需要太高的能量，也就避免了误伤其他动物或者人的可能。最重要的，是它对环境完全不会产生危害。目前这种激光炮的有效距离大概是30米，激光器的旋转范围为22度，如果要在自家四周建立起一个防蚊网的话，最少需要八台这种设备。听起来似乎是一大笔投资，但是Nathan认为，如果大量生产的话，成本将会降到50美元以下。当然，这些问题都不妨碍它成为今年时代周刊评选的50大最佳发明之一。毕竟，对
11、于那些疟疾肆虐的地区来说，这种灭蚊激光炮可能是最无害也最有效的工具了。 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料）液体（如某些染料） 气体（如气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作物质分按工作物质分三、激光的种类：三、激光的种类：一一、气体激光器、气体激光器以气体为工作物质的激光器以气体为工作物质的激光器1.原子气体激光器：原子气体激光器：He-Ne 激光器激光器2.分子激光器：分子激光器：CO2，N2，
12、准分子激光器，准分子激光器3.离子激光器：离子激光器：Ar+, He-Cd离子激光器离子激光器特点特点：（：（1）发射的谱线分布从紫外到远红外整个光谱区，已经观测到万发射的谱线分布从紫外到远红外整个光谱区，已经观测到万余条激光谱线；（余条激光谱线；（2）气体工作物质均匀性较好，输出光束质量高；（）气体工作物质均匀性较好，输出光束质量高；（3）能实现大功率连续输出，能实现大功率连续输出，CO2激光器目前可达万瓦级；（激光器目前可达万瓦级；（4）转换效率高、）转换效率高、工作物质丰富、结构简单和器件成本低等工作物质丰富、结构简单和器件成本低等缺点：气体原子分子浓度低，不利于做成小尺寸、大能量的脉冲
13、激光器。缺点：气体原子分子浓度低，不利于做成小尺寸、大能量的脉冲激光器。用途：准直、导向、计量、材料加工、全息照相以及医学、育种等领域。用途：准直、导向、计量、材料加工、全息照相以及医学、育种等领域。激光器的分激光器的分类及特点及特点二、固体激光器二、固体激光器固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质中中l光谱性能取决于光谱性能取决于 激活离子：激活离子：(1) 过渡族金属离子：铬、镍、过渡族金属离子：铬、镍、钴等。钴等。(2)三价稀土金属离子：钕，镨，钐、铕等。三价稀土金属离子：钕，镨，钐、铕等。(3)二二价稀土金属离子：铒、铥、镝等。价稀土金属离子：
14、铒、铥、镝等。(4)锕系离子，大部分为锕系离子，大部分为人工放射元素，不易制备，只有铀有所应用。人工放射元素，不易制备，只有铀有所应用。l物理化学性能取决于物理化学性能取决于基质：基质： (1)玻璃玻璃:硅酸盐、硼酸盐和磷硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐；（酸盐；（2）晶体：金属氧化物：白宝石（）晶体：金属氧化物：白宝石（Al2O3)、氧化、氧化钇（钇（Y2O3)、钇铝石榴石（、钇铝石榴石（YAG）；铝酸盐、磷酸盐、硅）；铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、钨酸盐等（酸盐、钨酸盐等（3）氟化物，）氟化物，CaF2 、BaF、 MgF2特点特点：激光谱线多达数千条，浓度比气体大，可获大能量：激光谱线多达数千条，浓度比
15、气体大，可获大能量输出，单脉冲输出能量可达上万焦耳，峰值功率可达输出，单脉冲输出能量可达上万焦耳，峰值功率可达1013-1014瓦瓦/厘米厘米2；结构紧凑，牢固耐用。；结构紧凑，牢固耐用。缺点缺点：热效应严重，连续输出功率不如气体高。：热效应严重，连续输出功率不如气体高。用途用途：工业、国防、医疗、科研等：工业、国防、医疗、科研等三、半导体激光器三、半导体激光器以半导体为工作物质的激光器以半导体为工作物质的激光器砷化镓（砷化镓（GaAs)、硫化镉（、硫化镉（CdS)、碲锡铅、碲锡铅（PbSnTe)等等优点：优点：体型小、效率高、结构简单、价格便宜。体型小、效率高、结构简单、价格便宜。缺点：缺点
16、：发散角大，利用率低，不易准直。发散角大，利用率低，不易准直。用途：用途：光纤通信、激光唱片、光盘、数显等光纤通信、激光唱片、光盘、数显等四、液体激光器四、液体激光器有机化合物液体（染料）激光器、无机化合物有机化合物液体（染料）激光器、无机化合物染料激光器已获得广泛应用，有实用价值的的上染料激光器已获得广泛应用，有实用价值的的上百种。若丹明百种。若丹明6G，隐花青、豆花素等，隐花青、豆花素等特点：特点：波长可调谐、调谐范围宽波长可调谐、调谐范围宽从紫外从紫外321nm至至近红外近红外1.3um；可产生极短超短脉冲，脉宽压缩可产生极短超短脉冲，脉宽压缩至至3 10-15s；可得窄谱线宽度，线宽；
17、可得窄谱线宽度，线宽10-6nm.五、化学激光器五、化学激光器基于化学反应建立粒子数反转，氟化氢、氟化基于化学反应建立粒子数反转，氟化氢、氟化氘。化学能变光能，不需加外加电源或光源作为泵浦源，氘。化学能变光能，不需加外加电源或光源作为泵浦源，可获高功率输出。用于军事领域可获高功率输出。用于军事领域六、自由电子激光器六、自由电子激光器利用电子运动的动能转换为激光辐射的，辐利用电子运动的动能转换为激光辐射的，辐射范围宽，从毫米波到射范围宽，从毫米波到X光连续调谐，转换效率达光连续调谐，转换效率达50%1、自发辐射、自发辐射: 设设 N1 、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1 、E2 能级的原子
18、数。能级的原子数。 单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内， 从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数：的原子数： E2E1N2N1h 2 激光的产生激光的产生一、光和原子的相互作用一、光和原子的相互作用写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、 无关的无关的 非相干光非相干光 。2受激辐射受激辐射 :N2E1E2N1全同光子全同光子h 设设 （ 、）温度为温度为时时, 频率为频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的
19、附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。外来光的能量密度。 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21 = B21 （ 、T）3 . 吸收吸收:E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸收，使原子上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从从E1E2
20、。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数：写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 ( 、T) W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 1年从理论上得出年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实
21、验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 = B12二、二、 粒子数反转粒子数反转一一. 为何要粒子数反转为何要粒子数反转:从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程。必须必须 N2 N1（ 粒子数反转）。粒子数反转）。因因 B21=B12 W21=W12产生激光必须产生激光必须 把把 的原子激发到高能态的原子激发到高能态 上去，这个过程叫激上去，这个过程叫激励，俗称泵浦。能实现粒子数反转的物质称为激励，俗称泵浦。能实现粒子数反转的物质称为激活物质。活物质。例例. He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激
22、光器的粒子数反转 三、激活物质的能级结构三、激活物质的能级结构反射镜反射镜反射镜反射镜毛细管毛细管阳极阳极阴极阴极布氏窗布氏窗外腔式外腔式He一一Ne 气体激光器气体激光器 He -Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质，激活物质，He与与 Ne之比为之比为51 1011。电子碰撞电子碰撞碰撞转移碰撞转移亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态3P4P2P3S5S4S20.66eV19.78eV20.30eV18.70eV16.70eVHe-Ne激光管的工作原理：激光管的工作原理： 由于电子的碰撞由于电子的碰撞, ,He被激发被激发( (到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级
23、) ) 的概率比的概率比 Ne 原子被激发的概率大；原子被激发的概率大； 在在He 的的2 23 3S，2 21 1S这两个能级都是亚稳态，这两个能级都是亚稳态， 很难回到基态；很难回到基态； 在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。 由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量几乎相等，当两种原子相碰时非常能量几乎相等，当两种原子相碰时非常 容易产生能量的容易产生能量的“共振转移共振转移”；（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的粒子数
24、）还要设法减少下能级的粒子数） 正好正好Ne的的5 5S，4 4S是是亚稳态，下能级亚稳态，下能级 4 4P， 3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S，4 4S要短得多，要短得多， 这样就可以形成粒子数的反转。这样就可以形成粒子数的反转。 在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，而回到基态， 而而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S； 放电管做得比较细（毛细管），可使原子放电管做得比较细（毛细管），可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 3 S态态 的的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生
25、“无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态，而回到基态，以及时减少以及时减少3 3S态的态的Ne原子数，原子数，有利于激光下能级有利于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线, , 图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条: : 06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。之间发生的，因此较易实现粒子数反转。四、光学谐振腔四、光学谐振腔 纵模与横模纵模与横模全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激励能源激励能源激光器有两个反射镜，激光器有两个反射镜
26、，它们构成一个光学谐振腔。它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）；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）。使激光具有极好的单色性（选频）。设氦氖激光器设氦氖激光器Ne原子的原子的06328 m受激辐射光受激辐射光的谱线宽度为的谱线宽度为 ,如图所示。如图所示。 1.3 109 Hz 0I激光的纵膜激光的纵膜由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有光程所以有光程 ( k=1、2、3、) k真空中的波长真空中的波长n 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率Lk=1k=2k=3 可以存在的纵模频率为可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为谱线的宽度为 =13109 HZ因此，在因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为纵模越多，单色性越差，选模措施纵模越多，单色性越差，选模措施以输出单纵模以输出单纵模IO012345678
