激光原理第0章绪论

激光原理与激光技术邴丕彬华北水利水电大学电力学院2一、物理学发展进程：经验物理学时期(17世纪以前)：我国和古希腊形成两个东西交相辉映的文化中心，主要通过直观观察和猜测性思维获得。经典物理学时期(17世纪初—19世纪末)：牛顿力学体系的建立，标志着经典物理学的诞生。现代物理学（※）时期(20世纪初至今)，研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部。相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱。前言3二、电磁波谱

普通光源-----自发辐射

激光光源-----受激辐射

激光

(Laser)（镭射）

(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)

“辐射的受激发射光放大”“激光”——钱学森在1964年提出，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。4激光的发展历史

从历史来看，任何科学发现或科学发明，都不外是两条道路：一、自然界业已存在，当人们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、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。激光是20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。5激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。

20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用提出了将无线电技术从微波推向光波的要求。1952年，美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论去放大电磁波。从微波振荡器到光波振荡器微波振荡器的实现原理：

一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。61954年，美国的汤斯(CharlesH.Towns)、苏联的巴索夫(NikolaiG.Basov)和普洛霍洛夫(AleksanderM.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波量子振荡器。7C.H.TownesA.M.Prokhorov

N.G.Basov8汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器原理研制了振荡器和放大器。以上工作为激光器的发明奠定基础，并因此获得1964年诺贝尔物理学奖。1958年，汤斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)抛弃了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想。汤斯和肖洛在PhysisRevies上发表论文，指出了实现受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需要满足的条件。1960年7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。

美国休斯公司实验室梅曼演示的。

波长为694.3nm的激光9

至此，一门新的科学技术——量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！

101960年，梅曼成功完成世界上第一台固体激光器Ruby激光出光（休斯实验室）694.3nm同年12月，梅曼的研究生贾万（A.Javan）成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——He-NeLaser（贝尔实验室）632.8nm，并于1961年2月正式报道。11激光器发展进程：1961年，有人提出了Q调制技术，并制成第一台调Q激光器。同年，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镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。12仅1961—1962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。对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。1964年研制成了氩离子（Ar+）气体激光器二氧化碳气体激光器化学激光器（HF氟化氢）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(通过激光和非线性晶体产生宽范围可调谐相干激光光源），借助半经典理论预言了锁模效应的存在。131966年，科学家们研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。1966年，又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。1970年研制成了准分子激光器。1977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（SL）（通信用的保密性比较好的激光器）此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。

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超过10位.14151961长春光机所RubyLaser出光1962He－NeLaser出光1964上海光机所成立我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密机械研究所王之江院士领导设计并和邓锡铭、汤星里、杜继禄等人共同实验研制成的，

(builtin19862beam/f200mm,1.6KJ/1ns)我国研制的神光-I装置的两路激光(LD泵浦钕玻璃激光器）系统美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有2至10微米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型半导体激光器。1990年美国研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达280亿次/秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。161980-2030激光约束核聚变激光驱动器研制阶段1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统－－－神光（神光I）装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。2004年4月，神光Ⅱ装置成功突破100万亿瓦（1014瓦）大关，输出峰值功率达到120万亿/36飞秒（10-15秒）。目前，国际上只有少数发达国家的著名实验室钛宝石激光装置输出功率超过100万亿瓦。这意味着神光Ⅱ在1000万亿分之36秒的超短瞬间内，迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。17目前神光III已圆满完成，达到"8束出光，脉冲-万兆焦耳"的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

神光III不是武器系统，仅神光III占的面积就有几个标准足球场那么大。根据规划，目前我国正在研制“神光IV”核聚变点火装置。18一.激光特点：1方向性好（发散角～10-4弧度）手电筒的光射到~m处，扩展成很大的光斑。一束激光射到~38万km的月球上，光斑的直径只有~2km利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.192

单色性好单色性最好的氪灯Kr86

（非激光）

Δ

=4.7×10-3nm

稳频He—Ne激光器Δ

=10-9

nm

激光的单色性比普通光高倍.203能量集中——

脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）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

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，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。21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集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。在工业上，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，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器

224相干性好空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。时间相干性好（

～10-8埃），相干长度可达几十公里。23按工作方式分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W

）三.波长：极紫外──可见光──亚毫米

(100nm）（1.222mm）二.种类：固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓GaAs）

按工作物质分24四、激光的应用

40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。251.激光军事应用2.激光加工技术3.激光在医学上的应用4.激光在科技前沿问题中的应用261.激光军事应用

激光在军事上的应用涉及到了雷达、测距、定向能武器、导弹、航空航天、电子对抗等方面。除军事应用外，这些技术也能同样应用于民用。

1.1、激光武器

由于强激光束具有很强的烧蚀作用，因而可以破坏制导系统、引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导弹和破坏雷达、通信系统等。激光武器的威力强大，命中率极高，是真正意义上的“杀手锏”。目前美国已研制出机载（ABL）和车载激光武器。当激光能量不高时，主要使敌方人员致盲和使某些光电测量仪器的光敏元件受到破坏甚至失效，或可用来在城市、森林大面积点火。27美国雷神公司制造“百夫长”激光炮波音公司另外研发的一款可以安装在悍马车上的激光防空武器281.2、激光制导

激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单等优点。其主要制导方式有半主动制导、主动制导、波束制导。激光制导可同时攻击多个来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标。

著名的英－阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武器对付阿方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、反潜艇中，激光致盲武器也有很大发展潜力，对准潜望镜入口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的敌方人员的眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在其中的各种光电传感器侦察地面目标，如果用激光束照射其中的光电传感器也会使侦察卫星变为"瞎子"。29301.3、激光测距与激光雷达(Lidar)

激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点。激光测距在常规兵器中已广泛应用，正在逐步取代普通光学测距手段。1.4、激光陀螺

激光陀螺利用光的多普勒效应来精确测量飞行器、舰船的转速，从而实现导航。相比普通机械陀螺，激光陀螺精度提高了上百倍，而且体积更小。激光陀螺广泛应用于导航、定位及航空航天中。1.5、激光侦察对抗

激光侦察在军事上占有十分重要的地位。利用激光技术进行多光谱摄影(全息摄影)，可以识别伪装目标。31激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打标、打孔、微加工以及做为光源识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。

目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器。2.激光加工技术32

随着激光器制作工艺的不断改进，特别是激光的传导输出方式和它有效的输出功率，使医生的梦想变为现实。低功率激光治疗不再局限于体表的照射，光针穴位照射和血管内照射在临床已很多。高功率的激光手术刀，由表面的切割气化进入内窥镜手术，使病员免受常规手术的痛苦；激光光敏诊断及光动力学治疗为肿瘤的诊治开辟了新的途径；激光角膜成形术、激光血管成形术、激光心肌打孔术成为当前重要的应用课题；中红外激光的医学应用，以及用X波段光的来揭示人类生命奥秘，高速定序DNA分子结构,将掀起一场体视和显微成像的革命。另外,激光美容也给爱美之士提供了新的选择!光子嫩肤,激光祛斑………3.激光在医学上的应用333.1.激光在外科中的应用利用高功率激光开展激光手术,包括切割、汽化、贯通组织、烧灼止血、凝固封闭血管和吻合焊接神经、血管等.利用低功率激光照射产生的生物刺激作用治疗各种炎症和促进创口的愈合;通过光导纤维将激光送入消化道、胆道、尿道和腹腔内进行各种治疗.3.2.激光在皮肤科中的应用我国应用激光治疗皮肤病已有30余年,由于体表组织浅显,易于观察、操作和便于对照、研究,而且疗效很好,激光在皮肤病的治疗中占有突出的地位.皮肤科常用的激光有Nd:YAG激光、CO2激光、He-Ne激光和氩激光.目前,激光可用于治疗数十类百余种皮肤病,如:疣与疣状痣及其它皮肤赘生物、血管瘤及黑色素性皮肤病、皮脂腺囊肿、汗管瘤和皮肤溃疡等.343.3激光在妇产科的临床应用20多年来,国内已将CO2激光用来治疗多种宫颈疾病,如宫颈炎、宫颈息肉和宫颈瘤等,还将低功率氦氖激光用于穴位照射治疗痛经、输卵管炎性不孕症和矫正胎位.3.4激光在眼科中的应用已知激光视网膜剥离凝固术(1961年)是开激光医学的先河.目前,在眼科领域中,国内各级医院也广泛利用高能激光手术治疗视网膜剥离、切割虹膜和治疗青光眼等,利用低能激光照射穴位治疗假性近视等各种眼病.打激光，红光所在点为对焦（准分子激光是红外光）354.1激光核聚变4.激光在科学技术前沿问题中的应用

“国家点火装置”位于加州，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力。“国家点火装置”由192个激光束组成，产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”。1999年6月，吊装直径10米的靶室

(NationalIgnitionFacility）36劳伦斯利弗莫尔国家实验室鸟瞰图当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。激光束进入国家点火装置的一个小目标球的艺术概念图，它会引起核反应374.2激光冷却(lasercooling)和微粒操纵

激光冷却利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。人们发现，当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来，两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。381985年美国国家标准与技术研究院的WilliamD.Phillips和斯坦福大学的朱棣文首先实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光阱将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得了更低温度的"光学粘胶"。之后，许多激光冷却的新方法不断涌现，其中较著名的有"速度选择相干布居囚禁"和"拉曼冷却"，前者由法国巴黎高等师范学院的ClaudCohen-Tannodji提出，后者由朱棣文提出，他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。朱棣文、柯亨-达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了1997年诺贝尔物理学奖。激光冷却有许多应用，如:原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。39朱棣文得知获奖后与妻子拥抱时任美国能源部部长的朱棣文404.3激光化学传统的化学过程，一般是把反应物混合在一起，然后往往需要加热(或者还要加压)。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，结合成新的键，而这些不规则运动破坏或产生的键，会阻碍预期的化学反应的进行。

414.4超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，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。飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场物理)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电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易地将原