激光原理精品课件

1、激光原理第1页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四激光概论 What ? Why ? How ?第2页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四 1917年，爱因斯坦预言受激辐射； 40年后,1957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； 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，两个人在吃饭一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯(C.Townes)，微波受激辐射放大名人另一个是贝尔实验室博士后肖洛(A.Schawlow) 探讨如何实现光波段的受激辐射放大 What is Laser?第3页，共48页，2022年，5

2、月20日，13点39分，星期四汤斯的设想：一个玻璃盒，充满铊蒸汽，铊灯照射，激励铊原子发光；玻璃盒壁，象金属波导对微波一样，反射铊原子发出的光波；反射会受激铊蒸汽的光，引起受激辐射放大What is Laser? 肖洛认为： 钾会更好一些 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激光器的三个基本组成部分：工作物质、激励源、光学谐振腔第4页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四What is Laser?想专利申请贝尔实验室：“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义”。1958年12月“Physics Review”发表 1960年

3、3月获得专利权 第5页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四What is Laser?与美国人的工作齐名的是苏联巴索夫（H.EacoB）和普洛霍洛夫），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两个人功劳最突出休斯顿实验室（梅曼）梅曼熟悉红宝石闪光灯照红宝石,两端镀反射膜第6页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四1960年7月,第一台激光器固体（如YAG, 红宝石Al2O3） What is Laser?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

4、果。在纽约时报上作为一条消息宣布 第7页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四What is Laser?贝尔实验室A.Javan（贾范）Townes的学生，介质发光，不懂FPSchawlow告诉 FP反馈 1960年12月 HeNe第一台气体激光器其它气体（如CO2）1.15m 仪器非线性？ 第8页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四波长：软x光紫外可见红外亚毫米 (30 n m ） （1.22nm ）种类：固体（如红宝石，YAG，蓝宝石）按工作物质分What is Laser?第9页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四波长：软x光紫

5、外可见红外亚毫米 (30 n m ） （1.22nm ）种类：气体（如He-Ne，CO2）按工作物质分What is Laser?准分子（如XeCl，KrF， )第10页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四 按工作方式分 连续（CW，功率可达104 W） 脉冲（Pulse，瞬时功率可达1014 W ）半导体（如砷化镓 GaAs）What is Laser?液体（如染料） 第11页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四 光子晶体What is Laser?激励能源全反射镜部分反射镜光学谐振腔XUEZHQ.SWF激光第12页，共48页，2022年，5月20日，

6、13点39分，星期四激光很有用Why should I study Laser?1 激光在基础科学研究中的应用1.1 激光冷却原子 连接1.2 激光荧光1.3 激光光化学反应1.4 激光分离同位素1.5 激光飞秒光学1.6 激光测定年代1.7 激光天体物理学探求宇宙的起源1.8 重力波 重力波天线激光干涉仪第13页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四2 激光在通信及信息处理中的应用2.1 激光通信大气光通信、卫星激光通信、水下激光通信2.2 光纤通信2.3 激光打印、排版、印刷2.4 激光光盘3 激光在军事技术中的应用3.1 激光测距、雷达、激光制导、激光导航3.2 激光武

7、器、战术模拟、光电对抗Why should I study Laser?第14页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四4 激光在生物及医学中的应用4.1 生物体的光学特性4.2 激光与生物体的相互作用4.3 激光在生物体检测、诊断中的应用断层摄影、生物体光谱诊断、共焦点显微镜4.4 激光在医疗中的应用眼科、皮肤科及整形外科，理疗 连接5 激光在材料加工中的应用5.1 激光打孔、切割、焊接 连接Why should I study Laser?第15页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四5 激光在材料加工中的应用5.2 激光制备纳米粉材料5.3 激光3-D扫

8、描及快速成型6 激光在测量技术（计量学）中的应用6.1 激光干涉计量 连接6.2 激光陀螺计量6.3 激光全息照相计量6.4 激光衍射计量6.5 激光准直及多自由度测量 Why should I study Laser?第16页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四7 激光在能源、环境中的应用7.1 探求无穷的绿色能源激光核聚变 连接7.2 激光大气检测7.3激光引雷、激光驱雾8 激光在土木、建筑中的应用7.8.1 激光表面处理及剥离7.8.2 激光切断及解体7.8.3 激光挖掘Why should I study Laser?第17页，共48页，2022年，5月20日，13

9、点39分，星期四 激光焊接高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起第18页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四1 利用激光高强度、良好的聚焦性(方向性)： 控制光栅刻机等。绘制集成电路图，如芯片电路的准确分割，切割(连续打孔)：调节精密电阻，可在大气中进行。迅速、非接触，焊接(烧熔)：可加工硬质合金钻石等。钻孔(烧穿)：加工：效率高，Why should I study Laser?第19页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）第20页，共48页，2022年，5月20日，13点39

10、分，星期四 纤维镜激光光纤成象 有源纤维强激光使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束 附属通道 （可注入气或液） 排除残物以明视线 套环 （可充、放气）阻止血流或使血流流通 照明束照亮视场Why should I study Laser?第21页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四医疗：激光手术刀，血管内窥镜，治癌等。用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着处理前处理后2 利用激光极好的单色性Why should I study Laser?第22页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四 激光核聚变 这是激光NOV

11、A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。第23页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四激光雷达（分辨率高，可测云雾）等。3 利用的是激光极好的相干性测量：精密测长、测厚、测角，测流速（10-5104m/s），定向（激光陀螺），测电流、电压（磁光效应），全息技术：全息存储，全息测量，全息电影，全息摄影等。Why should I study Laser?第24页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四激光 原子力显微镜(AFM) 用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。试样通常是微电子

12、器件。激光-原子力显微镜（AFM）激光器分束器布喇格室棱镜检测器反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置第25页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四第26页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四方向性好单色性好 高功率 相干性好Why is Laser so useful?第27页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四特点：方向性极好（发散角10 -4弧度）脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。时间相干性好（10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。相干性极好亮度极高Why is Lase

13、r so useful?第28页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四方向性好单色性好 高功率 相干性好Whats the special?Whats the key difference?第29页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四一.波干涉相干性复习二.相干条件三. 杨氏实验四. 普通光源发光特性五. 非单色性对衬比度的影响六.光源的宽度对衬比度的影响七.从光子角度看问题八.从模式角度看问题九.光模式与光子态的关系十. 相干与模式、光子态第30页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四一.波干涉S2S1r1r2p 减弱条件 加强条件 相

14、干性第31页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四相干性二. 相干条件1. 机械波相干要求同振动方向同振动频率固定的相位差2. 光波相干要求光波横电磁波同振动方向相同偏振同振动频率相同颜色固定的相位差波列长度两个持续振动振动持续性光强第32页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四三. 杨氏实验相干性第33页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四三. 杨氏实验pr1r2xx0 xIxkxDdo单色光入射d 1000Dxk mm光程差：相位差：明纹 暗纹 加强相干性第34页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四杨氏双缝干涉光强

15、分布干涉花样若 I1 = I2 = I0 ,则1）平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明条纹，两侧明暗相间条纹平行等间距分布；2）条纹间距x=Dd条纹宽度；3）利用x、D和 d，可求得光波长4）x ，复色光，中央无色散，内侧紫，外侧红 条纹特点： 不太大时条纹等间距第35页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四白光的杨氏干涉条纹杨氏双缝干涉第36页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四杨氏双缝干涉衬比度若 I1 I2 I02-24-44I002-24-4ImaxImin02-24-4第37页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四一.波干涉相干性

16、复习二.相干条件三. 杨氏实验四. 普通光源发光特性五. 非单色性对衬比度的影响六.光源的宽度对衬比度的影响七.从光子角度看问题八.从模式角度看问题九.光模式与光子态的关系十. 相干与模式、光子态第38页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四相干性四. 普通光源发光特性1. 光源发射光波的物体称为光源。热辐射发光、电致发光、光致发光（荧光、磷光）、化学发光、激光等等波列L最基本发光单元分子原子 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射第39页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四原子发光的三种跃迁过程(方式)hh hhh受激吸收（原子的光激发）受激辐射（光

17、放大）自发辐射E!E2吸收前E!E2发光前吸收后发光后E!E2发光前发光后受激辐射不仅实现了光放大，而且产生的是相干光 自发辐射、受激吸收和受激辐射相干性第40页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四相干性2. 普通光源：自发辐射独立(不同原子发的光)独立(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单色光的光谱曲线光强长波光谱曲线（I曲线）L单色光的谱线宽度第41页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四五. 非单色性对衬比度的影响相干性I0/2I0光强长波L有限波列长度准单色光=+I|x|O- +

18、 谐波K级K级K+1级第42页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四相干长度非单色性大可测干涉条纹越少对应条纹消失处真空中相干性最大波程差短波明纹长波明纹S1S2Sb1b2a1a2波列长度相干时间时间相干性最大干涉级次第43页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四六.光源的宽度对衬比度的影响相干性光源宽度bI非相干叠加+1L0N0M0Lb/2d /2LMNS1S2R第44页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四六.光源的宽度对衬比度的影响相干性相干面积相干体积第45页，共48页，2022年，5月20日，13点39分，星期四一.波干涉相干性复习二.相干条件三. 杨氏实验四. 普通光源发光特性五. 非单色性对衬比度的影响六.光源的宽度对衬比度的影响七.从光子角度看问题八.从模式角度看问题九.光模式与光子态的关系十.