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1、激光技术激光技术 二十世纪四大发明二十世纪四大发明半导体；半导体；原子能；原子能；计算机；计算机；激光激光1917 年年 爱因斯坦提出了受激辐射理论；爱因斯坦提出了受激辐射理论；1958年年 肖洛和汤斯发表了肖洛和汤斯发表了红外线和光的微波激器红外线和光的微波激器； 1960年年 梅曼制成了世界上第一台激光器梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光红宝石激光器器单色性强；相干性强单色性强；相干性强激光的特性激光的特性（重点）能量集中，高方向性能量集中，高方向性高强度，高亮度；颜色极纯高强度，高亮度；颜色极纯- -光束发散角=2 探照灯-35毫弧度=1度激光激光-10-2毫弧度毫弧度激光的高方向性
2、sr一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）连续发光激光器功率：几毫瓦，几百瓦，几瓦，十几瓦目前可达几千瓦，几万瓦脉冲激光器：毫焦耳，焦耳，几十焦耳，目前可达几千焦耳，几万焦耳时间，空间都得到压缩的激光，其功率密度比会聚的太阳光高几十亿倍！激光的高强度和高亮度激光的颜色极纯-单色性强连续光谱-太阳光谱线状光谱-霓虹灯单一颜色谱线-激光单色光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（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范
3、围 ：谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量单色性： / 或氪灯10-6普通氦氖激光10-12激光的相干性强激光的相干性强相干长度课件相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源几厘米激光可达105千米爱因斯坦受激辐射理论： 强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射受激辐射的存在和光放大光放大的可能性。激光的产生和原理激光的产生和原理 入射光受激辐射光原子受激辐射示意图原子受激辐射示意图1 正常情况下，低能级的粒子数正常情况下，低能级的粒子数大于大于高能级的粒子高能级的粒子数，数， 实现受激辐射条件实现受激辐射条件实现粒子数反转。实现粒子数反转。2 光波的受激辐射比微波的受激辐射实现起来更困难。光波
4、的受激辐射比微波的受激辐射实现起来更困难。可见光：400-750nm微波:亚毫米波0.11mm 毫米波110mm 厘米波110cm 分米波0.11m受激辐射理论的意义：受激辐射理论的意义：对辐射理论的发展起了十分对辐射理论的发展起了十分重要的指导作用。揭示了光重要的指导作用。揭示了光能集中与放大的条件。为激能集中与放大的条件。为激光器的研制成功奠定了基光器的研制成功奠定了基础。础。1954年美国物理学家汤斯研制成年美国物理学家汤斯研制成功波长为功波长为1.25厘米的氨分子振荡厘米的氨分子振荡器器受激辐射微波放大器受激辐射微波放大器 （Microwave Amplification by Sti
5、mulated Emission of Radiation麦泽麦泽）激光器的问世激光器的问世氨分子微波激射器原理示意图氨分子源聚焦器谐振腔1960年又成功地研制了固体麦泽年又成功地研制了固体麦泽汤斯遇到的困难汤斯遇到的困难：振荡器的尺寸：振荡器的尺寸光腔代替微波共振腔光腔代替微波共振腔肖洛提出创造性设想肖洛提出创造性设想肖洛提出肖洛提出-光腔代替微波共振腔光腔代替微波共振腔向各个方向自发辐射的光子沿中心轴方向的辐射被受激放大光在工作物质中反复传播被放大激光器的组成：工作物质 泵辅源 光谐振腔工作物质聚光腔+M光谐振腔MM1960年年7月月7日：日： 梅曼梅曼成功研制出第一台 红宝石激光器 1
6、工作物质工作物质 2 泵浦源泵浦源 3 谐振腔谐振腔激光器的结构激光器的结构（重点）（重点）激光器的种类激光器的种类激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长输出频率特性固体激光器工作物质-各种激光晶体和玻璃输出波长-由工作物质中激活元素决定。输出方式-连续灯泵浦连续光 脉冲灯泵浦脉冲光例如：可调谐的固体激光器掺Cr3+的紫翠玉宝石激光器。输出波长0.7-0.8m掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm掺钕钇铝石榴石 Nd:YAG 1064nm1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm2940nm:医学和通信近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670n
7、m1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出几千瓦,脉冲输出几万焦耳掺铒光纤激光器在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。光纤放大器（光纤激光器）由微型激光器芯片驱动的掺铒的光纤。原理：当激光在光纤中传输时，光纤中的铒离子 受微型激光器发出的激光激发，经过能级 跃迁，不断把能量传递给光子，使得激光 在传输中所损耗的能量不断地得到补充， 经过数百千米甚至数千千米的行程后，被 减弱的光信号又恢复了活力用途：通信，局域网，数字电视，宽带网络等二极管激光器（半导体激光器）半导体激光器发展很快
8、，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50 m x 150 m x 250 m，比普通的米粒还小。用于：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等方面。工作物质：砷化镓等半导体材料。工作原理：砷化镓等半导体材料只允许电流沿着一个方 向流动。当穿过介质的光遇到一个被激发的 原子时，它将使这个原子以相同的波长和频 率释放能量，光在来回传播的过程中，不断 地被加强，直到从反射镜面上逃逸出去，形 成激光。二极管激光器（半导体激光器）气体激光器气体激光器气体激光器 原子激光器，分子激光器，离子激 光器，准分子激光器。原子激光器：以氦氖激光器为代表，这种激光器大 都是连续工作方式，输出功率在100毫
9、瓦以下，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可 以发射较强的连续功率激光，功率可达 几十瓦，是可见光中的重要激光器件， 多用于扫描，医学及全息学等方面。气体激光器气体激光器分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光 的热效应高，故多用于激光刀，医疗， 机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点发光都在紫外波段。 用途多用于微细加工，光刻及医学。 原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当 两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时， 两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。液体激光器液体激光器主要是染料激光器。多
10、为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点特点：从红外到紫外范围调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。原理：自由电子激光器是利用自由电子在真空磁场中的 周期性摆动产生激光。特点：自由电子通过很多对极性彼此相反的磁铁组成的 交变磁场，磁场的周期取决于这些磁铁的大小与 间距。发射激光的波长由交变磁场的周期及入射 电子的能量决定。用途：自由电子激光器可连续工作，输出功率几百瓦。 也可脉冲式工作，平均最高功率几兆瓦。用于材 料科学，医学，表面科学，化学，生物及生命科学等。自由电子激光器X射线激光器 X射线是原子内部
11、壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区， X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。已经用波长4.483nm X射线激光制成了X射线显微镜，并成功地得到了老鼠精子内核的图象,用于DNA在精子细胞内排列的研究。生物微腔激光器 砷化镓基底半导体反射镜量子阱增益区液体中的细胞介质膜反射镜玻璃基底 一种研究活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖
12、镀有反射膜的玻璃片。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状，模式，空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器 一般用波长850纳米的半导体激光器来制作。 纳米激光器问世据2001年美国科学杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。激光在科技领域的应用激光在科技领域的
13、应用超快和超慢现象的研究超快和超慢现象的研究超快现象：在微观世界很多现象是在极短的时间内发生的。如，热原子与分子的碰撞时间仅为皮秒，甚至更短。（光在一皮秒内仅移动0.3毫米）固体，液体中的能量转移；液体中的分子的快速化学反应；生物的光合作用；DNA能量转移;超高速光通信的光电转移等等。为了研究微观世界所发生的现象，就需要本身具有同样时间尺度的工具。激光器发出的激光脉冲：皮秒；飞秒；阿秒。用超短激光脉冲启动和终止电信号制造比晶体管快的开关，可以极大地提高计算机，通信设备等半导体设备的工作速度，并减小它们的体积。多普勒效应：如果波源与观察者之间有相对运动，则观察者接受到的波频率不同于波源的频率。速
14、度越小频率的偏移量也越小，就要求用于测量的光具有极高的频率稳定性。激光可以观测每小时只有3毫米的超慢运动。如，观测珊瑚的生长，细胞的分裂等。超慢现象研究：频率的偏移量正比于物体的运动速度。频率的偏移量正比于物体的运动速度。 光钳技术光钳技术 光的辐射压力光的辐射压力：(彗星的尾巴总是背向太阳，被认为是太阳光的压力造成的。功率为毫瓦数量级的光，大约能产生皮牛量级的辐射压力。拾起一颗小小的图钉的力，大约是几百亿皮牛)激光辐射产生的皮牛量级的力恰好适于移动细胞和生物大分子。激光光钳示意图激光器聚焦镜 样品池显微镜光钳技术当用激光钳住一个细胞时，再用另一束较强的激光作为激光刀，对细胞进行手术。如，切下
15、DNA或细胞膜，研究细胞功能的变化;钳住某种基因将其注入到植物细胞内，起到基因传递的作用等。激光钳与激光刀联合使用还可以实现基因的重组和重排，可以帮助完成“人类基因测序计划”激光冷却和捕获激光冷却和捕获原子技术原子技术获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温的方法就叫激光冷却。激光冷却。多普勒冷却原理光波原子原子吸收光子动量减小原子共振吸收与其运动方向相对的光子，从基态过渡到激发态，其动量减小，速度也减小了。处于激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态，得到与其运动相反的动量，但自发辐射的光子的方向是随机的，并不增加原子的速度，原子因而被减速，同时温度也降低了。对冷却钠原子的波长为589纳米的共振光而言，这种减速效果相当于10万倍的重力加速度！由于这种减速实现时，必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应，故称为多普勒冷却。1985年贝尔实验室的朱隶文小组用三对方向相反的激光束照射钠原子，6束激光交汇处的钠原子团被冷却，温度达到240k。xyz1997年朱隶文，达诺基，和菲利普斯因此而获诺贝尔物理奖光学粘团
