激光原理绪论

激光原理基础及应用

Lasersandtheirapplications

首都师范大学物理系王卫宁2022/10/261首都师范大学物理系王卫宁LASERLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激辐射光放大器激光（激光器）绪论Introduction2022/10/262首都师范大学物理系王卫宁世界上第一台激光器诞生于1960年美国加州休斯实验室

发明者:梅曼(T.H.Maiman)梅曼(T.H.Maiman)和他的红宝石激光器(RubyLaser)2022/10/263首都师范大学物理系王卫宁Theworld’sfirstlaser:RubyLaser

2022/10/264首都师范大学物理系王卫宁TheRubyLaser2022/10/265首都师范大学物理系王卫宁1、单色性好(Δν/ν~10-11)

Monochromaticity

2、方向性好(发散角～10–4rad)

Directionality

3、相干性好(相干长度可达几十公里)

Coherence

4、高亮度（可达～1018W/cm2

）

Brightness激光的特点Uniqueproperties

：2022/10/266首都师范大学物理系王卫宁激光所开创的新的学科领域的

一些重大课题激光本身的基础研究和新型激光器件研制激光核聚变军事激光和激光武器激光通讯激光化学和激光同位素分离非线性光学2022/10/267首都师范大学物理系王卫宁激光所开创的新的学科领域的

一些重大课题信息存储和处理激光的工业应用激光医学和激光生物学2022/10/268首都师范大学物理系王卫宁激光应用

LaserApplications

2022/10/269首都师范大学物理系王卫宁工业应用激光通讯激光信息处理激光医学激光农业激光的军事应用激光在科学技术研究中的应用

2022/10/2610首都师范大学物理系王卫宁主要工业应用

Mainindustrialapplications材料加工

精密测量2022/10/2611首都师范大学物理系王卫宁材料加工

MaterialProcessing激光焊接激光打孔激光切割激光热处理激光精细刻线修正集成电路快速制造模型2022/10/2612首都师范大学物理系王卫宁激光精密测量

AccuracyMeasurement激光干涉计量激光测速激光准直激光测距2022/10/2613首都师范大学物理系王卫宁激光通讯Communications分类1激光大气通讯2激光光纤通讯优点1信息容量大，传送路数多2传输距离较远，保密性强3设备轻便、费用经济2022/10/2614首都师范大学物理系王卫宁激光信息处理

InformationProcessing

激光印刷全息照相光学存储1光盘存储2全息存储光计算2022/10/2615首都师范大学物理系王卫宁激光信息处理

InformationProcessing

全息存储激光全息存储•利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术•通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图•全息图是由干涉条纹组成的影像，该条纹记录了入射光线的全部信息—振幅和相位阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影像的衍射原理使其再现激光全息存储的优点信息存储容量大---可达1Tb/cm3记录速度快记录信息不易丢失---寿命可达数百年便于长期保存---每一碎片都包含完整信息便于拷贝、复制光计算光计算机

哈佛大学的研究人员找到了约束光线的方法，为建造光计算机提供了技术支持。从原理上说，光计算机可以比电子计算机快十倍。

研究小组的领军人物Lene

Hau教授利用源于玻色－爱因斯坦凝聚体的超冷原子（BECs）来控制和调制光，使得保存光的相位和振幅成为可能。而在通常情况下，光的这些特性是无法暂存的。所以，这个成就为制造以光为运算载体的计算机打下了基础。2022/10/2616首都师范大学物理系王卫宁激光医学

Medical激光治疗各种眼部疾病激光治疗心血管疾病激光治疗恶性肿瘤激光防治牙科疾病激光针灸激光美容术激光手术刀2022/10/2617首都师范大学物理系王卫宁激光农业

Agriculture激光育种激光繁育激光渔场激光预报农作物长势除草灭害虫激光兽医2022/10/2618首都师范大学物理系王卫宁激光的军事应用

Military激光测距激光雷达激光制导激光武器激光实战模拟演习2022/10/2619首都师范大学物理系王卫宁战术武器的杀伤机理一是烧蚀效应二是激波效应三是辐射效应优点:1.无需进行弹道计算2.无后座力3.操作简便,机动灵活,使用范围广4.无放射性污染,效费比高激光武器:把激光作为能量载体，对目标产生破坏或损伤.激光武器分为两类：战术武器用于常规战争中直接伤亡人员、击毁坦克、飞机、战术导弹等；战略武器用于对付远程导弹、洲际导弹、空间武器等

2022/10/2620首都师范大学物理系王卫宁2022/10/2621首都师范大学物理系王卫宁激光在科学技术研究中的应用

ScientificResearch核能的利用1激光同位素分离2激光受控热核反应激光制冷探索微观世界的快速运动激光光谱分析（成份、结构、含量）1探查矿藏2监测污染2022/10/2622首都师范大学物理系王卫宁激光在科学技术研究中的应用

ScientificResearch揭开生命的秘密1直接观察微观世界2直接操纵微观粒子（光镊子）非线性光学效应长度基准与时间基准激光火箭和激光飞船2022/10/2623首都师范大学物理系王卫宁光俘获法（光镊子）光俘获法是利用光的力学作用，对微米以下的微小物体，用激光束夹住并使其移动的技术。最能享受光压操作技术的领域是生物研究。以非接触非破坏，对细胞和细胞小器管或生物体分子聚合体等，在光学显微镜下捕捉及操作成为可能，从而能做到以往机械操作方法所得不到的操作性与自由度。2022/10/2624首都师范大学物理系王卫宁应用实例与基本原理激光生物学眼科激光激光加工2022/10/2625首都师范大学物理系王卫宁激光生物学首都师范大学物理系姚旺王卫宁2003年8月2022/10/2626首都师范大学物理系王卫宁1激光生物学作用原理1.1共振效应1.2光致异构化作用1.3电磁场生物学效应1.4热生物学效应1.5压力生物学效应2激光光捕捉技术2022/10/2627首都师范大学物理系王卫宁

用激光照射生物分子，当激光的波长与生物分子中某些键的固有振动波长相同或相近时，便会产生同频共振，使这些键振动加剧，达到一定程度时可导致这些键断裂，这就是激光对生物分子的共振效应。1.1共振效应1、激光生物学作用原理2022/10/2628首都师范大学物理系王卫宁核酸碱基共振吸收光谱的实测值由表可知碱基的最大吸收波长在265nm处附近．而且通过实验，260~285nm诱变效果最明显。可用适当的激光器通过共振作用来打破这些键。从而造成染色体断裂，当断裂重新结合时，就形成染色体畸变。碱基鸟嘌呤(C)胞嘧啶(G)腺嘌呤(A)胸腺嘧啶(T)跃迁能eV4.5074.6424.64.7584.686共振波长(nm)2752672692612652022/10/2629首都师范大学物理系王卫宁1.2光致异构化作用光能使生物大分子的构象发生变化。由于光化学反应而引起的核酸与蛋白质的变性，以及酶的失活等，都认为是光致异构化作用。最常见的是顺--反异构化2022/10/2630首都师范大学物理系王卫宁1.3电磁场生物学效应激光是一种高能量的电磁波伴随激光所产生的强大电场可使有机体组织的分子、原子离化以及产生自由基等，这些变化有可能引起DNA分子中氢键的断裂和碱基的替换，使基因物质发生改变，而改变了的基因再复制其自身时就能产生突变。2022/10/2631首都师范大学物理系王卫宁1.4热生物学效应

医学上利用聚焦激光束焦点处的高温和巨大的二次压强作用，对于较大体积和恶性度较高的肿瘤采进行切割，从而把瘤体跟正常的组织分离。2022/10/2632首都师范大学物理系王卫宁1.5压力生物学效应治疗青光眼在前房角打孔以便降低眼压利用激光束高压汽化作用将虹膜切除晶状体打孔治疗白内障利用红血球容易吸收蓝绿光的特性，用氟离子激光照射玻璃体内的血块，使其膨胀崩解而清融，以便消除血块。2022/10/2633首都师范大学物理系王卫宁激光光捕捉技术光镊(opticaltweezer)

源于二十世纪70年代苏联光谱学家Letokhov的设想：光表现为热学效应的同时也具有力学效应——光压。一束光携带动量和能量。当光束通过物体如一细胞时，光束的折射引起光子动量变化，会对细胞产生一种力，把该细胞很快拉入并限制在“捕捉器”范围内，其情景犹如被吸尘器吸入一般。2022/10/2634首都师范大学物理系王卫宁美国A．Ashkin通过显微物镜使激光强聚焦并获得一个三维空间稳定的光学陷阱，实现了捕获微米量级的生物粒子。他是第一次提出并证明用激光束能对生物体进行光捕捉技术的先驱者。他利用两种激光的单光束成功地“捕捉”了包括病毒、细菌、酵母细胞和红血球细胞等在内的各种在显微镜下可见的生物体。2022/10/2635首都师范大学物理系王卫宁

FF1F2O

yzx激光束显微物镜abba

入射出射

动量变化2022/10/2636首都师范大学物理系王卫宁眼科激光激光医学—眼科激光疗法首都师范大学物理系张芃王卫宁2022/10/2637首都师范大学物理系王卫宁

激光医学—眼科激光疗法激光虽然已在医学领域的各个方面得到了普遍的应用，但在眼科领域的应用最为广泛而深入。这是因为眼球本身就是一个光学系统，光线可以通过屈光质到达眼球的各层组织，所以即使在激光发明之前，也已开始应用氙弧灯甚至日光等普通可见光来治疗眼底疾病。世界上第一台激光器发明后，由于激光具单色性、方向性好等优点，可以应用不同波长的激光，目标准确地针对眼球的不同组织发挥作用，所以在医学领域中首先应用于眼科，而且范围最广。2022/10/2638首都师范大学物理系王卫宁激光治疗眼病的原理激光治疗眼病的优越性用于眼科治疗的主要激光器眼睛屈光常识准分子激光手术

准分子激光手术的基本原理

准分子激光治疗远、近视及散光激光治疗白内障2022/10/2639首都师范大学物理系王卫宁激光作用于眼球，并被组织吸收后，眼球组织会发生一系列的变化，这就是激光治疗的基础。眼球各层组织在吸收激光能量后产生的激光生物作用，主要有：

光致发热作用 光致化学作用 巨脉冲激光的强电场作用 光致压强作用这四种作用是能够将激光用作光凝和光切等治疗眼病的主要机理。激光治疗眼病的原理2022/10/2640首都师范大学物理系王卫宁激光治疗眼病的优越性1.一些可见光波长范围的激光可经眼球透明组织直达眼底，而很少被吸收，因此透明的眼球组织不被损伤；2.

眼球内富于色素的组织容易吸收激光，而眼球内的许多病变部位和色素组织相近，这就有利于接受激光治疗；3.

激光单色性好，故进入眼内的光线没有色差；

激光发散角很小，定位准确；

激光能量密度高，可在小范围内产生最大的生物效应；以上特点很适用于治疗病变范围小的眼球组织的疾病，且不损伤周围正常的组织；4.激光脉冲持续时间为毫秒级，甚至更短，在治疗的瞬间不受眼球转、收的影响，病人的痛苦极轻微。2022/10/2641首都师范大学物理系王卫宁用于眼科治疗的激光器主要有哪些?红宝石(rudy)激光

氩离子(Ar+)激光

氪离子(Kr+)

染料(dye)激光

掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光

氟化氩(ArF)准分子激光

2022/10/2642首都师范大学物理系王卫宁准分子激光手术准分子激光是一种能够精确聚焦和控制的紫外光束，其切削精度非常高，每个光脉冲切削深度为0.2微米，能够在人的头发丝上刻出各种花样来。2022/10/2643首都师范大学物理系王卫宁准分子激光手术的基本原理

准分子激光是氟氩气体混合后经激发产生的一种人眼看不见的紫外线光束，属于冷激光，能精确消融角膜预计去除的部分而不损伤周围组织和其它组织器官。准分子激光的波长很短，为193nm（纳米），不能穿入眼内，因此，对眼球内部组织没有任何不良副作用。在计算机控制下，可以根据所需要矫正的屈光度，利用准分子激光对角膜组织进行精确切削，改变角膜的弯曲度。这就是准分子激光手术的基本原理。2022/10/2644首都师范大学物理系王卫宁眼睛屈光学常识正视眼的屈光平行光线在无调节状态下，经过眼的屈光系统的屈折后，焦点准确落在视网膜上近视的屈光平行光线在无调节状态下，经过眼的屈光系统的屈折后，聚焦在视网膜前2022/10/2645首都师范大学物理系王卫宁眼睛屈光学常识远视的屈光平行光线在无调节状态下经过眼的屈光系统的屈折后聚焦在视网膜后散光的屈光眼球各部分的屈光力不同，形成两条焦线和小弥散斑2022/10/2646首都师范大学物理系王卫宁准分子激光治疗近、远视眼医生在治疗前将近视度数输入计算机，由计算机来控制切削的范围和深度，激光器发出一系列的激光脉冲照射到角膜上，在角膜中心削出一个光滑的平面，每个脉冲切除一薄层角膜组织，多个脉冲照射到角膜组织上以后，使角膜曲率变平，光线能够直接聚焦于视网膜上，视力变得清晰。2022/10/2647首都师范大学物理系王卫宁准分子激光治疗近、远视眼准分子激光能以0.25m的精度切削角膜(重塑角膜的曲率),从而达到矫正视力的疗效；整个切削过程用电脑控制；这种手术方法在国内外已经被公认为最为成熟、安全可靠的治疗方法，得到了广泛的应用。2022/10/2648首都师范大学物理系王卫宁准分子激光角膜切削术准分子激光角膜切削术治疗近视、散光：激光作用角膜的中部，改变角膜的弯曲度，减少角膜的折射力。矫正远视：激光作用角膜的周边部，增加角膜的折射力。2022/10/2649首都师范大学物理系王卫宁准分子激光原位角膜磨镶术准分子激光原位角膜磨镶术治疗高度近视眼：用角膜板层刀水平切开角膜表面约30%厚度瓣，翻开角膜瓣，用激光切削，改变角膜屈光力，然后再把角膜瓣复位。2022/10/2650首都师范大学物理系王卫宁准分子激光手术仪2022/10/2651首都师范大学物理系王卫宁氩离子(Ar+)激光与掺钕钇铝石榴石(YAG)激光应用于临床眼科以来已成为眼科除药物和手术治疗以外的又一重要治疗手段.采用YAG激光切开白内障前囊膜及治疗白内障囊外摘除术后的囊膜混浊，国内多有报道。激光治疗白内障2022/10/2652首都师范大学物理系王卫宁YAG激光的波长为1064nm，其治疗原理是产生一个电离效应，使靶组织的分子和原子电离化。产生的电子、离子形成等离子体，在极短时间内产生微爆，形成强大的冲击波；离子化效应和机械作用使组织破坏、裂解。YAG激光的治疗原理2022/10/2653首都师范大学物理系王卫宁应用YAG激光治疗IOL植入术后囊膜混浊就是将光点聚焦于后囊膜上，利用其产生的物理微爆破和冲击波完全切割、离断后囊膜的作用，具有安全、高效、快捷的优点，使其聚焦点以外的眼内组织不受损害。YAG激光治疗的优点2022/10/2654首都师范大学物理系王卫宁激光雕刻瓷雕激光加工2022/10/2655首都师范大学物理系王卫宁激光雕刻竹雕2022/10/2656首都师范大学物理系王卫宁石雕2022/10/2657首都师范大学物理系王卫宁水晶雕2022/10/2658首都师范大学物理系王卫宁激光内雕机采用定光式和动光式相结合的工作方式，在计算机控制下，通过水晶体与激光聚焦点的相对运动，激光聚焦点在水晶内微爆炸形成一个小点，由无数有序的点组成一幅精致、完美的立体图案。

水晶内雕2022/10/2659首都师范大学物理系王卫宁2022/10/2660首都师范大学物理系王卫宁

激光器及应用系统2022/10/2661首都师范大学物理系王卫宁高速固体激光打标机外形图风冷氩离子激光器2022/10/2662首都师范大学物理系王卫宁用于THz光谱研究的MaiTaiLaser和振荡器、激光放大器2022/10/2663首都师范大学物理系王卫宁核聚变核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了150亿年。激光核聚变就是利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应2022/10/2664首都师范大学物理系王卫宁惯性约束聚变（ICF）激光驱动器——“神光”系列建在中国科学院上海光机所的“神光二号”，成百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。当８束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，引发聚变反应。2022/10/2665首都师范大学物理系王卫宁1669年牛顿（S.I.Newton,英国）光的微粒说1678年惠更斯（C.Huygens,荷兰）光的波动理论（1690）1863年麦克斯韦（I.C.Marswell,英国）电磁波理论，麦克斯韦方程1887年赫兹（Herze,德）用实验的方法产生了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁波理论1901年

列别捷夫(俄)用实验的方法测定了光压，结果与电磁波理论十分相近，从而巩固了光的电磁波理论1905年爱因斯坦（A.Einistein,犹太人）提出光的本性是光子，光子具有波粒二象性1917年爱因斯坦，提出受激辐射的概念1954年汤斯（Townes,美）和Bacon（苏）利用分子受激辐射的原理，研制成功了微波受激放大器（MASER）光学理论及激光器的发展历程2022/10/2666首都师范大学物理系王卫宁1958年肖洛（A.L.Schawlow）和汤斯（Townes）发表论文，提出把MASER（微波受激辐射放大器）的原理引深到光频波段的可能性和技术途径1958年8月肖洛和汤斯的红外和光子激光器在美国贝尔公司注册同年，巴索夫(N.G.Basov)和波洛霍夫(M.Prohorov

苏）发表实现三能级粒子数反转和半导体激光器的建议论文1959年9月汤斯提出红宝石激光器建议，杰万(A.Javon，伊朗）提出氦-氖连续波激光器建议1960年5月15日梅曼(T.H.Maiman)在美国加州休斯实验室，制成了世界上第一台红宝石激光器7月7日休斯公司在紐约举行了新闻发布会,宣布激光器诞生1960年12月A.Javan等首次制成He-Ne激光器1963年K.Patel 第一台CO2激光器1961年8月中国第一台激光器<小球照明红宝石>在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生。2022/10/2667首都师范大学物理系王卫宁1967年第一台x射线激光器研制成功1997年美国麻省理工学院研制出第一台原子激光器2022/10/2668首都师范大学物理系王卫宁因激光及其应用的创造性贡献而

获得诺贝尔奖者：

http:///physics/laureates/Aleksandr

Mikhailovich

(1/4)

“Forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple".CharlesH.Townes,Basov(1/2)Nicolay

Gennadiyevich,Prokhorov(1/4)2022/10/2669首都师范大学物理系王卫宁诺奖得主CharlesHardTownes访问我校

（国际合作处）【本报讯】２月８日，诺贝尔物理学奖得主CharlesHardTownes

偕夫人访问我校，物理系近20名师生参加座谈，聆听大师在科研及涉猎领域方面的心得，Townes回答了听众有关青年学生应当如何学习等问题。Townes强调：学生除了用功读书之外要有较宽的知识面，学会质疑和批判，这样才有创造性；善于同交叉领域同事的合作是开拓思路的有效路径。

Townes

教授生于1915年，1939年获博士学位，1964年获得诺贝尔物理学奖，曾任美国哥伦比亚大学教授、辐射实验室主任及物理系主任、麻省理工学院教务长及学院教授，在多个为政府提供咨询的科学委员会任职。2022/10/2670首都师范大学物理系王卫宁1971"forhisinventionanddevelopmentoftheholographicmethod".

1981"fortheircontributiontothedevelopmentoflaserspectroscopy";

1986"fortheircontributionsconcerningthedynamicsofchemicalelementaryprocesses"DudleyR.HerschbachUSAYuanT.LeeUSAJohnC.PolanyiCanadaGABOR,DENNIS,UKBLOEMBERGEN,NICOLAAS,U.S.ASCHAWLOW,ARTHURL.,U.S.A.,2022/10/2671首都师范大学物理系王卫宁1997"fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight".

CHU,STEVEN,U.S.A.,StanfordUniversity,COHEN-TANNOUDJI,CLAUDE,France,PHILLIPS,WILLIAM,D.,U.S.A.,1989"forthedevelopmentoftheiontraptechnique".DEHMELT,HANS,G.,U.S.A.,PAUL,WOLFGANG,FederalRepublicofGermany,

2022/10/2672首都师范大学物理系王卫宁激光的未来发展充满着巨大的机遇,挑战和创新空间2022/10/2673首都师范大学物理系王卫宁本课程介绍课程名称:激光原理基础及应用学时学分：36学时,2学分

课程目的:

了解和掌握激光的特性、激光的基本原理、典型激光器的构造及应用；了解激光的调制技术及在一些领域的应用技术.2022/10/2674首都师范大学物理系王卫宁课程主要章节辐射理论及激光产生条件激光器的工作原理激光器的输出特性激光的基本（调制）技术典型激光器激光在一些重要领域中的应用一两个典型实验2022/10/2675首都师范大学物理系王卫宁参考书《激原理及应用》陈家璧主编，电子工业出版社《激光技术和应用》邓开发等编著，国防科技大学出版社网络资源/perg/vqm/laserweb/

Lasersandtheirapplications/

（网上教学）/

（中国激光网）2022/10/2676首都师范大学物理系王卫宁成绩评定方法：assessmentmethod

A. Marksdistribution 1. Coursework =50% 2. Examination =50%B. Schemesofcoursework 1. Classattendance/interaction 2. ExercisesonWebsiteorclass 3. Experimentalreport2022/10/2677首都师范大学物理系王卫宁TheLaser --byB.S.Ramprasad,AppliedOptics(OSA)Godsaid,lettherebelightAndtherewaslight!Mansaid,lettherebelaserAndtherewaslaser!ThelightthatGodmadeWashighlyrandom,Andnaturelovesdisorder.ManwascreatedWithalovefororder. Herearrangedthelight Soitcouldbecomeintense, Itcouldgofar Andnotexpandsomuch,

Allraysfromitcouldmarch Inunisonbothinspace Andintime.He