激光原理及实际应用

1、12-2 激光原理及应用激光原理及应用2普通光源普通光源普通光源是光的自发辐射。普通光源是光的自发辐射。特点：特点：多波长、任意方向、多波长、任意方向、不相干。不相干。普通光源向四面八方辐射普通光源向四面八方辐射, ,光线分散到光线分散到4 4p p球面度的立体球面度的立体角内角内. .3激激 光光激光：激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。）。激光是光的受激辐射。激光是光的受激辐射。激光的特点：激光的特点：单色性好单色性好, ,方方向性好；相干性好；亮度高向性好；相干性好；亮度高. .基本沿某一条

2、直线传播基本沿某一条直线传播, ,通通常发散角限制在常发散角限制在10-6球面度球面度量级的立体角内量级的立体角内. .4激 光辐射跃迁：辐射跃迁：受激吸收；受激吸收；自发辐射；自发辐射；受激辐射受激辐射5激 光粒子数反转粒子数反转激光原理就是要研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何光的受激辐射是如何在激光器内产生并占在激光器内产生并占主导地位而抑制自发主导地位而抑制自发辐射辐射！6激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一理论基础：理论基础：爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说(1905)；波粒二象性波粒二象性(1909)辐射理论辐射理论(1917)：提出：提出了受激辐射的概念，预了受激辐射

3、的概念，预测到光可以产生受激辐测到光可以产生受激辐射放大。射放大。Einstein7激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一理论基础：理论基础： R.C.Tolman指出：指出：具有粒子数反转的介具有粒子数反转的介质具有光学增益（产质具有光学增益（产生激光的基本条件之生激光的基本条件之一）（一）（1924）。）。Tolman8激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一实验基础：实验基础：Prokhorov和和H.Townes分别分别独立报导了第一独立报导了第一个微波受激辐射个微波受激辐射放大器放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov9激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一

4、 1958年年Townes和和Schawlow抛弃了尺度抛弃了尺度必须和波长可比拟的封必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实长的开放式光谐振腔实现现Laser的新想。的新想。Schawlow10激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一美国休斯公司实验室一位从事美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼红宝石荧光研究的年轻人梅曼在在1960.5.16利用红宝石棒首利用红宝石棒首次观察到激光；次观察到激光； 梅曼在梅曼在7月月7日正式演示了世日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；界第一台红宝石固态激光器；

5、他在他在Nature(8月月16日日)发表了发表了一个简短的通知。一个简短的通知。Maiman11激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一Maiman的第一台激光器的第一台激光器12中国第一台激光器（中国第一台激光器（19611961）13激光技术发展简史之二激光技术发展简史之二各种激光器的开发各种激光器的开发: :工作物质：工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，子，半导体，X射线射线输出功率：输出功率：大功率，低功率大功率，低功率工作方式：工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续输出稳定性：输出稳定性：稳频率，稳功率，

6、稳方向稳频率，稳功率，稳方向14我国激光器研究情况我国激光器研究情况激光器的第一台激光器的第一台 研制成功时间研制成功时间 研研 制制 人人 红宝石激光器（我国第一台红宝石激光器（我国第一台) )19611961年年1111月月邓锡铭邓锡铭、王之江王之江He-NeHe-Ne激光器激光器 19631963年年7 7月月 邓锡铭等邓锡铭等 掺钕玻璃激光器掺钕玻璃激光器 19631963年年6 6月月 干福熹干福熹 GaAsGaAs同质结半导体激光器同质结半导体激光器 19631963年年1212月月 王守武王守武 COCO2 2分子激光器分子激光器 19651965年年9 9月月 王润文等王润文等

7、15激光技术发展简史之三激光技术发展简史之三激光应用技术激光应用技术 信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激

8、光光科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等程等等16光盘存储器原理光盘存储器原理激光刻蚀与读出激光刻蚀与读出17偏振光显微镜18激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）19激光控制核聚变激光控制核聚变20天文台（激光导航星）来自纳层来自纳层的反射光的反射光（高度约（高度约100km)100km)最大高度最大高度约约35km35km来自空气来自空气分子的分子的RayleighRayleigh光光21激光测距与激光雷达激光测距与激光雷达22激光切割激光切割23长度测量长度测量24生

9、物和医学应用生物和医学应用25激光技术涉及的学科激光技术涉及的学科物理（光学）物理（光学）精密加工（光学谐振腔的制作）精密加工（光学谐振腔的制作）光学加工（光学镀膜、光学装调）光学加工（光学镀膜、光学装调）电子技术（激光电源、控制电路）电子技术（激光电源、控制电路）应用技术基础（数学方法、误差理论）应用技术基础（数学方法、误差理论）26 1辐射理论概要与激光产生条件辐射理论概要与激光产生条件1.1 光波、光子光的波粒二象性1.2 原子能级和辐射跃迁1.3 受激辐射1.4 光谱线增宽1.5 激光形成条件27光的波粒二象性光的波粒二象性波动性：传播过程波动性：传播过程 具有频率、波长、偏振具有频率

10、、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用粒子性：光与物质相互作用 具有能量、动量、运动质量具有能量、动量、运动质量光波是电磁波光波是电磁波 振动的电场；振动的电场； 振动的磁场振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量矢量称作光矢量l28光的波粒二象性光的波粒二象性光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光-偏振偏振方向有时随时间变化方向有时随时间变化(2)自然光自然光z传播方向Ex(1)线偏振光线偏振光ExyEy29光速、频率和波长三者的关系光速、频率和波长三者的关系

11、(1)波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)(2)光速光速882.998 10/3 10/cm sm s (3)(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数频率：光矢量每秒钟振动的次数T1(4)(4)三者的关系三者的关系在真空中在真空中 l0c各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 )(0lllc30折射率始终大于1？自然界中所有材料的折射率均大于自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率，各种气体的折射率近似等于近似等于1； 负折射率材料：当介电常数负折射率材

12、料：当介电常数 0，磁导率，磁导率 0时，时，折射率折射率n=-()1/2，小于零（，小于零（人造材料，人造材料，2000年后）年后）用复负折射率材料做增益介质？31单色平面波单色平面波(1) (1) 平面波平面波波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面平面波：波阵面是平面实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透镜形成的光束可以看成平面波镜形成的光束可以看成平面波(2) (2) 单色平面波：具有单一频率的平面波单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波：实

13、际上不存在完全单色的光波，总有一定的准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如频率宽度，如 称为准单色波称为准单色波。32单色平面波单色平面波理想的单色平面波理想的单色平面波单色平面波的复数表示单色平面波的复数表示0expexp()UUitkzUi t复振幅复振幅 : : 代表振幅在空间的分布，辐角代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相代表位相在空间的分布在空间的分布 UikzUUexp0 光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即 2U

14、I 2)(cos112021120222UdtkztUTdtUTITTTT单色平面波的表示单色平面波的表示-行波方程行波方程0022coscosztzUUtUcTppl单色平面波的表示单色平面波的表示-行波方程行波方程0022coscosztzUUtUcTppl33球面波球面波波阵面为一系列同心圆的波是球面波波阵面为一系列同心圆的波是球面波球面简谐波方程：球面简谐波方程：0cosUrUtrc球面波的复数表示法：球面波的复数表示法：0it krUUer34光光 子子 在真空中一个光子的能量在真空中一个光子的能量h 光子的动量光子的动量0000222hhhhPmcnnnnkcplplp式中式中h是

15、普朗克常数是普朗克常数，h=6.6310-34Js。 光子的具有运动质量光子的具有运动质量222hmhmccc光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质( (原子、分原子、分子子) )交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。352 原子能级和辐射跃迁原子能级和辐射跃迁为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复习原子能级的概念；习原子能级的概念；为了知道在不同的能级上原子的数量，需为了知道在不同的能级上原子的数量，需要了解简并度的概念。要了解简并度的概念。36原子的能级原子的能

16、级物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。+e-e-e原子核电子角动量L=rp37主量子数主量子数n，n1，2，3，大体上决定原子中电子的能大体上决定原子中电子的能量值不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动量值不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数辅量子数l , l=0,1,2,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对动量，这也同

17、电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用等的电子顺次用s, p, d, f字母表示字母表示;磁量子数磁量子数m=0，1，2， l. 决定轨道角动量在外决定轨道角动量在外磁场方向的分量磁场方向的分量;自旋量子数自旋量子数ms= 1/2，代表电子自旋方向的取向，也代代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;原子的能级原子的能级原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：38原子的能级原子的能级电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态状态 电子的能级，

18、依次用电子的能级，依次用E E0 0，E E1 1，E E2 2， E En n表示；表示； 基态：原子处于最低的能级基态：原子处于最低的能级状态；状态； 激发态：能量高于基态的其激发态：能量高于基态的其它能级状态；它能级状态；E0基态E1E2En激发态39简并能级、简并度简并能级、简并度 简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态； 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。氢原子氢原子1s,2p1s,2p态的简并度态的简并度原子状态原子状态nlms简并度简并度1s1001/222p2110

19、-11/21/21/261nsssPPd2n3n40原子的电子组态原子的电子组态根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数主壳层：主量子数n表示，称表示，称K、L、M层；层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，表示，s,p,d,分分别表示别表示l=0,1,2,；壳层壳层KLMNn1234子壳层子壳层1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4fl00 10 1 20 1 2 3容纳电子数容纳电子数22 6 2 6 10 2 6 10 14 41原子的电子组态原子的电子组态 泡

20、利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数上的电子具有完全相同的量子数 ； 电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下下( (无外界激发无外界激发) )，电子从最低的能级开始充填，再依次充，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。填能量较高的能级。 电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数的相互作用导致量子数n和和l的竞争；的竞争； 只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（