激光原理课件

1、激光原理激光原理激光原理 1917年，爱因斯坦预言受激辐射；年，爱因斯坦预言受激辐射； 40年后年后,1957年是一个不平常的年份；年是一个不平常的年份； 苏联发射世界上第一颗人造地球卫星；苏联发射世界上第一颗人造地球卫星； 我国爆发了全国范围的反右派运动；我国爆发了全国范围的反右派运动； 贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯斯(C.Townes)，微波受激辐射放大名人，微波受激辐射放大名人另一个是贝尔实验室博士后肖洛另一个是贝尔实验室博士后肖洛(A.Schawlow)

2、 探讨如何实现光波段的受激辐射放大探讨如何实现光波段的受激辐射放大 激光原理汤斯的设想：汤斯的设想：一个玻璃盒，充满铊蒸汽，铊灯照射，激励铊一个玻璃盒，充满铊蒸汽，铊灯照射，激励铊原子发光；原子发光；玻璃盒壁，象金属波导对微波一样，反射铊原玻璃盒壁，象金属波导对微波一样，反射铊原子发出的光波；子发出的光波；反射会受激铊蒸汽的光，引起受激辐射放大反射会受激铊蒸汽的光，引起受激辐射放大 肖洛认为：肖洛认为： 钾会更好一些钾会更好一些 没必要去照搬微波放大器的结构没必要去照搬微波放大器的结构两块相对放置的反射镜就可以了两块相对放置的反射镜就可以了激光器的三个基本组成部分：激光器的三个基本组成部分：工

3、作物质、激励源、光学谐振腔工作物质、激励源、光学谐振腔激光原理想专利申请想专利申请贝尔实验室：贝尔实验室：“光波从没有对通讯产生过重大光波从没有对通讯产生过重大作用，该项发明对贝尔系统的利益几乎没有意作用，该项发明对贝尔系统的利益几乎没有意义义”。1958年年12月月“Physics Review”发表发表 1960年年3月获得专利权月获得专利权 激光原理与美国人的工作齐名的是与美国人的工作齐名的是苏联巴索夫（苏联巴索夫（H.EacoB）和普洛霍洛夫）和普洛霍洛夫A.M.npoxopob），提出了几乎相同的原理。），提出了几乎相同的原理。 世界科学界引起轰动，研制第一台激光器竞赛世界科学界引起

4、轰动，研制第一台激光器竞赛两个人功劳最突出两个人功劳最突出休斯顿实验室休斯顿实验室T.H.Maiman（梅曼）（梅曼）梅曼熟悉红宝石梅曼熟悉红宝石闪光灯照红宝石闪光灯照红宝石,两端镀反射膜两端镀反射膜激光原理1960年年7月月,第一台激光器第一台激光器固体（如固体（如YAG, 红宝石红宝石Al2O3） Physics review letter主编认为：不可在Physics review上发表。我只发表重大的、应该立即公诸于世的成果。在纽约时报上作为一条消息宣布 激光原理贝尔实验室贝尔实验室A.Javan（贾范）（贾范）Townes的学生，介质发光，不懂的学生，介质发光，不懂FPSchawlo

5、w告诉告诉 FP反馈反馈 1960年年12月月 HeNe第一台气体激光器第一台气体激光器其它气体（如其它气体（如CO2）1.15m 仪器非线性？仪器非线性？ 激光原理波长：波长：软软x光光紫外紫外可见可见红外红外亚毫米亚毫米 (30 n m ） （1.22nm ）种类：种类：固体（如红宝石，固体（如红宝石，YAG，蓝宝石），蓝宝石）按工作物质分按工作物质分激光原理波长：波长：软软x光光紫外紫外可见可见红外红外亚毫米亚毫米 (30 n m ） （1.22nm ）种类：种类：气体（如气体（如He-Ne，CO2）按工作物质分按工作物质分准分子（如准分子（如XeCl，KrF， )激光原理 按工作方式分

6、按工作方式分 连续（连续（CW，功率可达，功率可达104 W） 脉冲（脉冲（Pulse，瞬时功率可达，瞬时功率可达1014 W ）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）液体（如染料）液体（如染料） 激光原理 光子晶体光子晶体激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜光学谐振腔光学谐振腔XUEZHQ.SWF激光激光激光原理激光很有用激光很有用1 1 激光在基础科学研究中的应用激光在基础科学研究中的应用1.1 1.1 激光冷却原子激光冷却原子 连接连接1.2 1.2 激光荧光激光荧光1.3 1.3 激光光化学反应激光光化学反应1.4 1.4 激光分离同位素激光分离同位素1.5 1

7、.5 激光飞秒光学激光飞秒光学1.6 1.6 激光测定年代激光测定年代1.7 1.7 激光天体物理学激光天体物理学探求宇宙的起源探求宇宙的起源1.8 1.8 重力波重力波 重力波天线激光干涉仪重力波天线激光干涉仪激光原理2 2 激光在通信及信息处理激光在通信及信息处理中的应用中的应用2.1 2.1 激光通信激光通信大气光通信、卫星激光通信、大气光通信、卫星激光通信、水下激光通信水下激光通信2.2 2.2 光纤通信光纤通信2.3 2.3 激光打印、排版、印刷激光打印、排版、印刷2.4 2.4 激光光盘激光光盘3 3 激光在军事技术激光在军事技术中的应用中的应用3.1 3.1 激光测距、雷达、激光

8、制导、激光导航激光测距、雷达、激光制导、激光导航3.2 3.2 激光武器、战术模拟、光电对抗激光武器、战术模拟、光电对抗激光原理4 4 激光在生物及医学中的应用激光在生物及医学中的应用4.1 4.1 生物体的光学特性生物体的光学特性4.2 4.2 激光与生物体的相互作用激光与生物体的相互作用4.3 4.3 激光在生物体检测、诊断中的应用激光在生物体检测、诊断中的应用断层摄影、断层摄影、生物体光谱诊断、生物体光谱诊断、共焦点显微镜共焦点显微镜4.4 4.4 激光在医疗中的应用激光在医疗中的应用眼科、皮肤科及整形外科，理疗眼科、皮肤科及整形外科，理疗 连接连接5 5 激光在材料加工中的应用激光在材

9、料加工中的应用5.1 5.1 激光打孔、切割、焊接激光打孔、切割、焊接 连接连接激光原理5 5 激光在材料加工中的应用激光在材料加工中的应用5.2 5.2 激光制备纳米粉材料激光制备纳米粉材料5.3 5.3 激光激光3-D扫描及快速成型扫描及快速成型6 6 激光在测量技术（计量学）中的应用激光在测量技术（计量学）中的应用6.1 6.1 激光干涉计量激光干涉计量 连接连接6.2 6.2 激光陀螺计量激光陀螺计量6.3 6.3 激光全息照相计量激光全息照相计量6.4 6.4 激光衍射计量激光衍射计量6.5 6.5 激光准直及多自由度测量激光准直及多自由度测量 激光原理7 7 激光在能源、环境中的应

10、用激光在能源、环境中的应用7.1 7.1 探求无穷的绿色能源探求无穷的绿色能源激光核聚变激光核聚变 连接连接7.2 7.2 激光大气检测激光大气检测7.37.3激光引雷、激光驱雾激光引雷、激光驱雾8 8 激光在土木、建筑中的应用激光在土木、建筑中的应用7.8.1 7.8.1 激光表面处理及剥离激光表面处理及剥离7.8.2 7.8.2 激光切断及解体激光切断及解体7.8.3 7.8.3 激光挖掘激光挖掘激光原理 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 5500 o oC C的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起激光原理1 利用激光高强度、良好的聚焦

11、性利用激光高强度、良好的聚焦性(方向性方向性)： 控制光栅刻机等。控制光栅刻机等。绘制集成电路图，绘制集成电路图，如芯片电路的准确分割，如芯片电路的准确分割，切割切割(连续打孔连续打孔)：调节精密电阻，调节精密电阻，可在大气中进行。可在大气中进行。迅速、非接触，迅速、非接触，焊接焊接(烧熔烧熔)：可加工硬质合金钻石等。可加工硬质合金钻石等。钻孔钻孔(烧穿烧穿)：加工：加工：效率高，效率高，激光原理用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）（目前已是常规的医学手术）激光原理 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光使堵塞物熔化使堵塞物

12、熔化臂动脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜附属通道附属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束 附属通道附属通道 （可注入气或液）（可注入气或液） 排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放气）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通 照明束照明束照亮视场照亮视场激光原理医疗：医疗：激光手术刀，激光手术刀， 血管内窥镜，血管内窥镜， 治癌等。治癌等。用脉冲的染料激光（波长用脉冲的染料激光（波长585nm585nm）处理皮肤色素沉着）处理皮肤色素沉着处理前处理前处理后处理后激光原理 激光核聚变激光核聚变 这是激光这是激光NOVA靶室，在靶室内十

13、束激光同时聚向一靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。激光原理激光激光雷达（分辨率高，可测云雾）等。雷达（分辨率高，可测云雾）等。3 利用的是激光极好的相干性利用的是激光极好的相干性测量：测量： 精密测长、精密测长、测厚、测厚、测角，测角，测流速测流速（10-5104m/s），），定向（激光陀螺），定向（激光陀螺），测电流、电压（磁光效应），测电流、电压（磁光效应），全息技术：全息技术：全息存储，全息存储，全息测量，全息测量，全息电影，全息电影，全息摄影等。全息摄影等。激光原理激光激光 原子力显微镜原子力显微镜(

14、AFM) 用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制装置压电控制装置激光原理激光原理方向性好方向性好单色性好单色性好 高功率高功率 相干性好相干性好激光原理特点：特点：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10 -4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可

15、达10 14瓦）瓦） 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。相干性极好相干性极好亮度极高亮度极高激光原理方向性好方向性好单色性好单色性好 高功率高功率 相干性好相干性好激光原理一一. .波干涉波干涉二二. .相干条件相干条件三三. 杨氏实验杨氏实验四四. . 普通光源发光特性普通光源发光特性五五. . 非单色性对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响六六. .光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响七七. .从从光子角度看问题光子

16、角度看问题八八.从模式角度看问题从模式角度看问题九九.光模式与光子态的关系光模式与光子态的关系十十. . 相干与模式、光子态相干与模式、光子态激光原理一一. .波干涉波干涉 S2S1r1r2p)cos(1111krtAyS)cos(2222krtAyS)cos(tAy)()(1212rrkcos2212221AAAAA 减弱条件减弱条件 加强条件加强条件 ), 2 , 1 , 0(12 mmrr ), 2 , 1 , 0(2) 12(12 mmrr 激光原理二二. . 相干条件相干条件1. 1. 机械波相干要求机械波相干要求同振动方向同振动方向同振动频率同振动频率固定的相位差固定的相位差2.

17、2. 光波相干要求光波相干要求光波光波横电磁波横电磁波同振动方向同振动方向相同偏振相同偏振同振动频率同振动频率相同颜色相同颜色固定的相位差固定的相位差波列长度波列长度两个持续振动两个持续振动振动持续性振动持续性光强2EI 激光原理三三. 杨氏实验杨氏实验激光原理三三. 杨氏实验杨氏实验pr1 r2 xx0 xIxkxDdo单色光入射单色光入射d 1000Dxk mm光程差：光程差：12rr 相位差：相位差： 2 明纹明纹 k 暗纹暗纹 2)1 2( ,2)1 2( )12( dDkxkk sindDxdd tg加强加强 k22 , 1 , 0 ,kdDkxk 激光原理光强分布光强分布干涉花样干

18、涉花样,cos22121 IIIII若若 I I1 1 = = I I2 2 = = I I0 0 , ,2cos420 II则则)2sin( d xDdI 20cos4平行等间距平行等间距间距间距利用利用 x、D和和 d，可求得光波长，可求得光波长 4） 条纹特点条纹特点： 不太大时不太大时条纹等间距条纹等间距激光原理白光的杨氏干涉条纹激光原理衬比度衬比度若若 I I1 1 I I2 2 2121max2IIIII2121min2IIIIII0 2 -2 4 -4 4I00 2 -2 4 -4 ImaxImin,cos22121 IIIIIminmaxminmaxIIIIV 21212III

19、IV0 2 -2 4 -4 激光原理一一. .波干涉波干涉二二. .相干条件相干条件三三. 杨氏实验杨氏实验四四. . 普通光源发光特性普通光源发光特性五五. . 非单色性对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响六六. .光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响七七. .从从光子角度看问题光子角度看问题八八.从模式角度看问题从模式角度看问题九九.光模式与光子态的关系光模式与光子态的关系十十. . 相干与模式、光子态相干与模式、光子态激光原理四四. . 普通光源发光特性普通光源发光特性1. 1. 光源光源发射光波的物体称为发射光波的物体称为光源光源。热辐射发光、电致发光、光致发光（荧光、磷光

20、）、热辐射发光、电致发光、光致发光（荧光、磷光）、化学发光、激光等等化学发光、激光等等波列波列Lm131010约最基本发光单元最基本发光单元分子原子分子原子 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射激光原理原子发光的三种跃迁过程原子发光的三种跃迁过程( (方式方式) )h h h h h （原子的光激发）（原子的光激发）（光放大）（光放大）E!E2吸收前吸收前E!E2发光前发光前吸收后吸收后发光后发光后E!E2发光前发光前发光后发光后受激辐射不仅实现了受激辐射不仅实现了光放大光放大，而且产生的是，而且产生的是相干光相干光激光原理2. 2. 普通光源：普通光源：自发辐射自发辐射独立

21、独立(不同不同原子发的光原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)可见光是电磁波波长400700nm光谱具有单一频率的光称为单色光.复色光I0/2I0单色光的光谱曲线22光强长波光谱曲线（I曲线）Lm131010约单色光的谱线宽度激光原理五五. . 非单色性对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响I0/2I022光强长波Lm131010约有限波有限波列长度列长度准准单单色色光光=+I|x|O - + 谐波谐波K级K级K+1级激光原理相干长度相干长度vc 2max)2(非单色性非单色性大大可测干涉可测干涉条纹越少条纹越少对应对应条纹消失处条纹消失处真空中真空中)2()2)(1(max kk k最大波程差最大波程差短波明纹短波明纹长波明纹长波明纹 2 kS1S2Sb1b2a1a2max 波列长度波列长度相干时间相干时间ctmax 最大干最大干涉级次涉级次激光原理六六. .光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响dRb bRd 光源宽度光源宽度b bI非相干叠加非相干叠加+1L0N0M0Lb/2d /2LMNS1S2RRd S1 S2 d S l R b激光原