第一讲-激光简介

1、第一讲第一讲激光简介激光简介1. 1. 激光发展史概述激光发展史概述2. 2. 激光的基本特点激光的基本特点3. 3. 激光基本原理简介激光基本原理简介4. 4. 激光的应用激光的应用本讲主要内容本讲主要内容 激激 光光 Light Amplication by stimulated Emission of Radiation- Laser “ “光的受激辐射放大光的受激辐射放大”“激光激光”钱学森在钱学森在19641964年提出年提出 “莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”; ”镭射镭射”激光的发明简述 从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业已存在，当人们

2、自觉或不自觉地发现以后再产生理论，并加 以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更 有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。 光物理的基础研究孕育了激光器的诞生光物理的基础研究孕育了激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性揭示

3、了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究激光器发明简述激光器发明简述光物理的基础研究孕育了激光器的诞生光物理的基础研究孕育了激光器的诞生1954年研制成第一台微波激射器年研制成第一台微波激射器(Maser) 1958年美国的汤斯、肖洛等提出了激光的概念和理论设计年美国的汤斯、肖洛等提出了激光的概念和理论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。等人研制成氦氖激光器。

4、我国的第一台激光器于我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功年在长春光机所创制成功 1960年年7月，世界第一台红宝石固态激月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。光器问世，标志了激光技术的诞生。美国休斯公司实验室美国休斯公司实验室梅曼梅曼演示的。演示的。波长为波长为694.3nm的激光的激光 至此，一门新的科学至此，一门新的科学技术技术量子电子学中的激量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！速度向前发展！ 激光是激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。体之后，人类的

5、又一重大发明。u 四十多年来，激光器的品种迅速增加。四十多年来，激光器的品种迅速增加。固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、自由电子激光器等等。自由电子激光器等等。u 中、小功率器件中、小功率器件高功率、高能量激光器；高功率、高能量激光器；u 工作模式多种多样。工作模式多种多样。超短脉冲、短脉冲、准连续、连续等。超短脉冲、短脉冲、准连续、连续等。激光器的发展激光器的发展应用越来越广泛！应用越来越广泛！ 波长：波长：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）1961年年

6、 2月（月（A.Javan）研制成了）研制成了 HeNe混合气体激光器。混合气体激光器。 有人提出了有人提出了Q调制技术，调制技术， 并制成第一台调并制成第一台调Q激光器。激光器。 为什么要调Q？ 制成了钕玻璃脉冲激光器。制成了钕玻璃脉冲激光器。 1962年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓（镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。）半导体激光器运转的报道。 仅19611962年间世界各国发表的激光方面的论文达200篇以上。1963年建立了激光的半经典理论。年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完对激光的频率特性和功率特性进行了

7、比较完 善的探讨。善的探讨。 1964年研制成了年研制成了 氩离子（氩离子（Ar+）离子气体激光器）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器二氧化碳气体激光器 化学激光器（化学激光器（HF氟化氢）氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器掺钕的钇铝石榴石固体激光器 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助 半经典理论预言了半经典理论预言了锁模锁模效应的存在。效应的存在。 1966年研制成了固体锁模激年研制成了固体锁模激 光器获得了超短脉冲。光器获得了超短脉冲。为什么要锁模？为什么要锁模？1970年研制成了准分子激光器。年研制成了准分子激光器。1977年研制成了红外波段的

8、自由电子激光器年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL）1984年研制出光孤子激光器（年研制出光孤子激光器（SL）因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有的科学家共有1010位位. .我国激光器的发展“在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。 ”摘自中科院上海光机所范滇元院士中国激光技术的发展现状以及展望 ( built in 1986 2beam /f f200mm, 1.6KJ/1w/w/1ns ) )美

9、国电话电报公司贝美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直像一个个微型图钉，其直径只有径只有2至至10微米。在一微米。在一个大头针的针头上，可以个大头针的针头上，可以装下装下1万个这样的新型半万个这样的新型半导体激光器。导体激光器。1990年美国年美国研制成功畸变量子阱激光研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达器，开关速度达280亿次亿次/秒，这是激光器有史以来秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。达到的最高速度。方向性好单色性

10、好相干性好高亮度激光的四个基本特点激光激光特点：特点：1 1 方向性好方向性好 （发散角（发散角10 -4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到38万万km的月的月球上，光斑的直径只有球上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到手电筒的光射到m处，处，扩展成很大的光斑。扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使利用激光准直仪可使长为长为2.5km的隧道掘进偏的隧道掘进偏差不超过差不超过16nm.激光准直、导向和测距 2 2 单色性好单色性好单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频稳频HeNe激光器激光器 910 nm激光的激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍倍. .

11、1010精密度仪器测量 激励某些化学反应 3 3 能量集中能量集中 脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）亮度极高亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度太阳表面的亮度比白炽灯大几百太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。上高亮度的光源。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术 激光的能量在空间上、在

12、时间上高度集中激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。瞬间产生出巨大的光热。在工业上，在工业上，激光打孔、切割和焊接。医激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，的测量和卫星大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器4 4 相干性好相干性好l空间相干性好

13、，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。l时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），相干长度可达几十公里。埃），相干长度可达几十公里。全息照相 信息技术激光的基本原理 一粒子的能级与辐射跃迁 1粒子的能级 组成物质的原子、分子等粒子总是处于一定的能态或能级，能量最低的能态称为基态，其它能量较高的状态称为激发态。基态是最稳定的状态，通常多数粒子处在基态上，当一粒子获得一定的能量跃迁到某一激发态时，它在激发态上停留的时间一般很短，其平均寿命大约在10-910-7秒。有些粒子的某些激发态寿命较长，平均寿命大约可达10-310-2秒，这样的激发

14、态称为亚稳态。 2 2辐射跃迁的三种基本过程光与物质的相互作用有三种基本过程，这就是光的吸收、自发辐射和受激辐射。 1)吸收：假设E1、E2为某个粒子的两个能级，如图所示。一个处在较低能级E1上的粒子，吸收一个能量hn E2-E1的光子，跃迁到较高的能级E2上，这一过程称为光的吸收。 2)自发辐射：处在高能级上的粒子可以自发地辐射光子而跃迁到较低的能级，这种过程称为自发辐射。如图所示，自发辐射光子的能量hn E2-E1。 自发辐射发出的光子的传播方向、振动方向、初相位彼此无关。特点 3)受激辐射：处在高能级E2上的粒子，在一个外来的能量为hn E2-E1的光子的诱发下，跃迁到能量较低的能级E1

15、，同时释放出一个与诱发光子完全相同的光子的过程称为受激辐射。 受激辐射发出的光子的频率、传播方向、振动方向、初相位与诱发光子相同。 特点激光受激辐射放大普通光源自发辐射因此，激光的单色性好、相干性好、方向性单色性好、相干性好、方向性好、亮度高好、亮度高！三、激光的应用三、激光的应用各种科学和技术领域应用激光形成了一系列新各种科学和技术领域应用激光形成了一系列新的交叉学科和应用技术领域：的交叉学科和应用技术领域：信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光加工、信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光加工、激光检测与计量、激光全息技术、激光光谱分析技术、激光检测与计量、激光全息技术、激光光谱分析

16、技术、非线性光学、超快光子学、激光化学、量子光学、激非线性光学、超快光子学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等等。变、激光武器等等。激光已经成为信息时代的心脏！激光已经成为信息时代的心脏！激光已经成为社会进步的推动力！激光已经成为社会进步的推动力！激光已经成为人类现代生活的重要组成部分！激光已经成为人类现代生活的重要组成部分！1、 激光测距、激光雷达和激光准直激光测距、激光雷达和激光准直2、 激光用于农业激光用于农业3、 激光用于加工领域激光用于加工领域4、 激光用于医疗领域激光用于医疗领域5、 激光

17、通信激光通信6、 激光与能源激光与能源7、 激光舞台与激光唱片激光舞台与激光唱片8、激光用于物理学基础研究（用激光产生冲击波、激光用于物理学基础研究（用激光产生冲击波等）等）朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得获得1997年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖9、 发展中的激光武器发展中的激光武器激光焊接激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光切割激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、

18、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 激光打标激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光打孔激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打

19、孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。 激光热处理激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。激光快速成型激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2

20、激光器为主。激光涂敷激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。1) 产品创新CAD验证；2) 产品功能验证；3) 零件装配关联测试与结构分析；4) 与客户或供货商的交流手段；5) 制作快速模具的母模 激光化学：激光化学：传统的化学过程，一般是把反应物混合在一起，传统的化学过程，一般是把反应物混合在一起，然后往往需要加热然后往往需要加热(或者还要加压或者还要加压)。加热的缺点，在于分子。加热的缺点，在于分子因增加能量而产生不规则运动，这种运动破坏原有的化学键，因增加能量而产生不规则运动，这种运动破坏原有的化学键，结合成新的键，而这些不

21、规则运动破坏或产生的键，有时会结合成新的键，而这些不规则运动破坏或产生的键，有时会阻碍预期的化学反应的进行。阻碍预期的化学反应的进行。但是如果用激光来指挥化学反应，不仅能克服上述不规但是如果用激光来指挥化学反应，不仅能克服上述不规则运动，而且还能获得更大的好处。这是因为则运动，而且还能获得更大的好处。这是因为激光携带着高激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用，比如利用不同波长的紫外激光，打在不同波长的紫外激光，打在硫化氢硫化氢等分子上，改变两激光束等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光的相位

22、差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上，脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上，触发某种预期的反应。触发某种预期的反应。 激光化学的应用非常广泛。制药工业是第一个得益的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成，而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更安全可靠，价格也可降低一些。又如，利用激光控制半导体，就可改进新的光学开关，从而改进电脑和通信系统。激光化学虽然尚处于起步阶段，但其前景十分光明。激光医疗：激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光

23、作为信息载体，后者则以激与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。方面都保持持续的、强劲的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下当前激光医学的出色应用研究主要表现在

24、以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光治疗前列腺良性增生；分子激光角膜成形术；激光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。等。超快超强激光：超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒激光的研究

25、与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面，即飞秒激光在超快领域内的应用、在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。 飞秒激光在超快现象研究领域超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。飞秒激光在飞秒激光在超强领域中超强领域中的应用的应用(又称为强场又称为强场物理物理)归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的电磁场会

26、远大于原子中的库仑场，电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易从而很容易地将原子中的电子统统剥落出去。地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒因此，飞秒激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以用来产生相干用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。用于受控核聚变的研究。飞秒激光用于飞秒激光用于超微细加工超微细加工是飞秒激光用于超是飞秒激光用于超快现象

27、研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关，秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关，对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。的推动作用。飞秒激光超微细加工飞秒激光超微细加工是当今世界激是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。究方向。激光武器：激光武器：利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。激光作为武器，有很多独特的优点。首先，它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。另外