激光原理全套课件(上).ppt

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1、激光原理与技术激光原理与技术原理部分原理部分第一讲第一讲激光简史、发展与应用激光简史、发展与应用课程简介课程简介 先修科目先修科目先修科目先修科目 几何光学几何光学 物理光学物理光学 量子力学量子力学 数学物理方法数学物理方法 参考书目参考书目参考书目参考书目 激光原理国防工业出版社激光原理国防工业出版社20002000年版年版周炳琨等编周炳琨等编 量子电子学科学技术出版社量子电子学科学技术出版社19831983年版年版AmnonYarivAmnonYariv，刘，刘颂豪等翻译颂豪等翻译 Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingLa

2、sers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986Group,1986 PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,1998PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,19981.1激光简史激光简史什么是激光？什么是激光？LASER：L LightightA AmplificationbymplificationbyS StimulatedtimulatedE EmissionofmissionofR Radiationadiation激光

3、：激光：受受受受激激激激辐射辐射辐射辐射光光光光放大放大放大放大1.1激光简史激光简史史前时代史前时代1717世纪世纪世纪世纪对光的本性的探求：对光的本性的探求：对光的本性的探求：对光的本性的探求：波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；斯、虎克；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；1919世纪：世纪：世纪：世纪：光的波动本性有了进一步发展光的波动本性有了进一步发展 电磁场理论、麦克斯韦方程组电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1激光简史激光简史19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够世纪下半叶发

4、展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；和双折射等现象；然而到了然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。法用当时的经典理论来解释。1.1激光简史激光简史黎明前的黑暗黎明前的黑暗黎明前的黑暗黎明前的黑暗 19001900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得年，

5、普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得19181918年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；19051905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得应，并因此获得应，并因此获得应，并因此获得19211921年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；inrecognitionoftheservicesheren

6、deredtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquantaforhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect1.1激光简史激光简史 19131913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得原子结构模型，并因此获得原子结构模型，并因此获得原子结构模型，

7、并因此获得19221922年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；19171917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；19281928年，年，年，年，LandenburgLandenburg证实了受激辐射和证实了受激辐射和证实了受激辐射和证实了受激辐射和“负吸

8、收负吸收负吸收负吸收”的存在；的存在；的存在；的存在；forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem1.1激光简史激光简史19401940年，年，年，年，V.AFabrikantV.AFabrikant在其博士论文中提出在其博士论文中提出在其博士论文中提出在其博士论文中提出了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转是了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转是了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转是了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转是MASER/LASERMASER/LA

9、SER产生的必要条件。产生的必要条件。产生的必要条件。产生的必要条件。1.1激光简史激光简史 19471947年，年，年，年，LambLamb和和和和ReherfordReherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐在氢原子光谱中发现了明显的受激辐在氢原子光谱中发现了明显的受激辐在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。射，这是受激辐射第一次被实验验证。射，这是受激辐射第一次被实验验证。射，这是受激辐射第一次被实验验证。LambLamb由于在氢原子光谱研由于在氢原子光谱研由于在氢原子光谱研由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得究方面的成绩获得究方面的成绩获得究方面的成绩获

10、得19551955年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；19501950年，年，年，年，KastlerKastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。尔奖。尔奖。尔奖。forhisdiscoveries

11、concerningthefinestructureofthehydrogenspectrumforthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms1.1激光简史激光简史 19511951年年年年,Townes,Townes提出受激辐射微波放大，即提出受激辐射微波放大，即提出受激辐射微波放大，即提出受激辐射微波放大，即MASERMASER的的的的概念。概念。概念。概念。19541954年，第一台氨分子年，第一台氨分子年，第一台氨分子年，第一台氨分子MaserMaser建成，首次实现了粒子

12、建成，首次实现了粒子建成，首次实现了粒子建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。宙背景辐射。宙背景辐射。宙背景辐射。TownesTownes由于在受激辐射放大方面的成就由于在受激辐射放大方面的成就由于在受激辐射放大方面的成就由于在受激辐射放大方面的成就获得获得获得获得19641964年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。forfundamentalworkinthefieldofquan

13、tumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple1.1激光简史激光简史突破突破突破突破 19561956年年年年NicolaasBloembergenNicolaasBloembergen在在在在哈弗大学提出了固态微波激射器的哈弗大学提出了固态微波激射器的哈弗大学提出了固态微波激射器的哈弗大学提出了固态微波激射器的概念，概念，概念，概念，于于于于19561956年年年年1010月在月在月在月在PhysicalPhysicalReviewRevie

14、w上发表了一片又决定意义的上发表了一片又决定意义的上发表了一片又决定意义的上发表了一片又决定意义的文章，第一台成功的设备几个月后文章，第一台成功的设备几个月后文章，第一台成功的设备几个月后文章，第一台成功的设备几个月后在在在在BellBell实验室研制出来。实验室研制出来。实验室研制出来。实验室研制出来。19581958年年年年SchawlowSchawlow和和和和TownesTownes在在在在PhysicalReviewLettersPhysicalReviewLetters上发表论上发表论上发表论上发表论文文文文“InfraredandOpticalMaser”“Infraredand

15、OpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上，标志着激光作为一种新事物登上，标志着激光作为一种新事物登上，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。了历史舞台。了历史舞台。了历史舞台。1.1激光简史激光简史 19591959年，年，年，年，GordonGouldGordonGould发表论文发表论文发表论文发表论文“The“TheLASER:LightAmplificationbyLASER:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”StimulatedEmissionofRadiation”，这是，这是，这是，这是LASER

16、LASER这一术语第一次被提出。这一术语第一次被提出。这一术语第一次被提出。这一术语第一次被提出。19601960年年年年5 5月，休斯实验室的月，休斯实验室的月，休斯实验室的月，休斯实验室的MaimanMaiman和和和和LambLamb共同研制的红宝石激光器发出了共同研制的红宝石激光器发出了共同研制的红宝石激光器发出了共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm694.3nm的的的的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。1.1激光简史激光简史 19601960年年中，年年

17、中，年年中，年年中，IBMIBM实验实验实验实验室的室的室的室的SorokinSorokin和和和和StevensonStevenson利用利用利用利用CaFCaF2 2中中中中的三价铀制成了第一台的三价铀制成了第一台的三价铀制成了第一台的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；四能级固体激光器；四能级固体激光器；四能级固体激光器；19601960年年年年1212月，月，月，月，BELLBELL实实实实验室的验室的验室的验室的JavanJavan，BennettBennett和和和和HerriottHerriott制成制成制成制成了第一台氦氖气体激光了第一台氦氖气体激光了第一台氦氖气体激光了第一台

18、氦氖气体激光器；器；器；器；1.1激光简史激光简史 19611961年，年，年，年，EliasSnitzerEliasSnitzer报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这种激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可种激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可种激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可种激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可控核聚变的主要候选光源；控核聚变的主要候选光源；控核聚变的主要候选光源；控核聚变的主要候选光源；19

19、611961年年年年:P.A.Franken,A.E.Hill:P.A.Franken,A.E.Hill等人将红宝石激光器发出的光脉等人将红宝石激光器发出的光脉等人将红宝石激光器发出的光脉等人将红宝石激光器发出的光脉冲通过石英晶体，将红光变成了绿光，成功的演示了谐波产生的冲通过石英晶体，将红光变成了绿光，成功的演示了谐波产生的冲通过石英晶体，将红光变成了绿光，成功的演示了谐波产生的冲通过石英晶体，将红光变成了绿光，成功的演示了谐波产生的非线性光学效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。非线性光学效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。非线性光学效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。非线性光学

20、效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。19621962年，第一台钇钕石榴石年，第一台钇钕石榴石年，第一台钇钕石榴石年，第一台钇钕石榴石(YAG)(YAG)激光器在激光器在激光器在激光器在BELLBELL实验室诞生，这实验室诞生，这实验室诞生，这实验室诞生，这种激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。种激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。种激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。种激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。1.1激光简史激光简史 19621962年，年，年，年，GEGE、IBMIBM和和和和MITMIT林肯实验室

21、的研究小组几乎林肯实验室的研究小组几乎林肯实验室的研究小组几乎林肯实验室的研究小组几乎同时报道了砷化镓（同时报道了砷化镓（同时报道了砷化镓（同时报道了砷化镓（GaAsGaAs）激光器；）激光器；）激光器；）激光器；19621962年，年，年，年，F.J.McClungF.J.McClung和和和和R.W.HellwarthR.W.Hellwarth研发了激研发了激研发了激研发了激光器调光器调光器调光器调QQ技术，从而使激光器能发出高单脉冲能量的短技术，从而使激光器能发出高单脉冲能量的短技术，从而使激光器能发出高单脉冲能量的短技术，从而使激光器能发出高单脉冲能量的短脉冲；脉冲；脉冲；脉冲；196

22、21962年，美国的年，美国的年，美国的年，美国的4 4个研究小组几乎同时报道了研制成功个研究小组几乎同时报道了研制成功个研究小组几乎同时报道了研制成功个研究小组几乎同时报道了研制成功能够在液氮冷却条件下脉冲工作的半导体激光器，这能够在液氮冷却条件下脉冲工作的半导体激光器，这能够在液氮冷却条件下脉冲工作的半导体激光器，这能够在液氮冷却条件下脉冲工作的半导体激光器，这是在光通讯、光存储和光学泵浦等是在光通讯、光存储和光学泵浦等是在光通讯、光存储和光学泵浦等是在光通讯、光存储和光学泵浦等重要领域走出的具有里程碑意义的重要领域走出的具有里程碑意义的重要领域走出的具有里程碑意义的重要领域走出的具有里程

23、碑意义的一步；一步；一步；一步；1.1激光简史激光简史 19631963年，年，年，年，HerbertKroemerHerbertKroemer和和和和RudolfKazarinovRudolfKazarinov、ZhoresZhoresAlferovAlferov的团队独立的提出了利的团队独立的提出了利的团队独立的提出了利的团队独立的提出了利用异质结构造半导体激光器的用异质结构造半导体激光器的用异质结构造半导体激光器的用异质结构造半导体激光器的思路，这一工作使得他们获得思路，这一工作使得他们获得思路，这一工作使得他们获得思路，这一工作使得他们获得了了了了20002000年的诺贝尔物理学奖。年

24、的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。19641964年，年，年，年，C.K.N.(Kumar)C.K.N.(Kumar)PatelPatel研制了第一台研制了第一台研制了第一台研制了第一台COCO2 2激光器；激光器；激光器；激光器；19641964年，年，年，年，WilliamB.BridgesWilliamB.Bridges研制了第一台离子激光器；研制了第一台离子激光器；研制了第一台离子激光器；研制了第一台离子激光器；1.1激光简史激光简史 19641964年，年，年，年，J.E.GeusicJ.E.Geusic、H.M.MarcosH.M.Marcos和和和和L.G

25、.VanUitertL.G.VanUitert研制了第一台掺钕钇铝石研制了第一台掺钕钇铝石研制了第一台掺钕钇铝石研制了第一台掺钕钇铝石榴石（榴石（榴石（榴石（NdNd：YAGYAG）固体激光器，这是现在）固体激光器，这是现在）固体激光器，这是现在）固体激光器，这是现在被应用于切割、焊接、光学应用和非线性被应用于切割、焊接、光学应用和非线性被应用于切割、焊接、光学应用和非线性被应用于切割、焊接、光学应用和非线性光学领域用途最广的激光器；光学领域用途最广的激光器；光学领域用途最广的激光器；光学领域用途最广的激光器；19641964年，年，年，年，C.J.KoesterC.J.Koester和和和和

26、E.SnitzerE.Snitzer研制研制研制研制了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。1964:ArnoPenzias1964:ArnoPenzias和和和和RobertWilsonRobertWilson利利利利用用用用MASERMASER作为放大器观察作为放大器观察作为放大器观察作为放大器观察3K3K的宇宙背景的宇宙背景的宇宙背景的宇宙背景

27、辐射，从而证明了辐射，从而证明了辐射，从而证明了辐射，从而证明了BigBangTheoryBigBangTheory。他。他。他。他们因此获得了们因此获得了们因此获得了们因此获得了19781978年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。1.1激光简史激光简史 19651965年，年，年，年，AnthonyJ.DeMaria,D.AnthonyJ.DeMaria,D.A.StetserA.Stetser和和和和H.A.HeynauH.A.Heynau报道了报道了报道了报道了第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸第一台利用钕玻璃激光器和饱

28、和吸收器产生皮秒级脉冲的激光器。收器产生皮秒级脉冲的激光器。收器产生皮秒级脉冲的激光器。收器产生皮秒级脉冲的激光器。19651965年，年，年，年，GeorgeC.PimentelGeorgeC.Pimentel和和和和JeromeV.V.KasperJeromeV.V.Kasper 研制了第一研制了第一研制了第一研制了第一台化学激光器；台化学激光器；台化学激光器；台化学激光器；19651965年，年，年，年，PeterSorokinPeterSorokin和和和和JohnR.JohnR.LankardLankard研制了第一台生物染料激研制了第一台生物染料激研制了第一台生物染料激研制了第一台

29、生物染料激光器，现在广泛应用在超快光学和光器，现在广泛应用在超快光学和光器，现在广泛应用在超快光学和光器，现在广泛应用在超快光学和光谱学领域；光谱学领域；光谱学领域；光谱学领域；1.1激光简史激光简史从从从从19171917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到年爱因斯坦提出受激辐射的概念到年爱因斯坦提出受激辐射的概念到年爱因斯坦提出受激辐射的概念到19601960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世年第一台激光器诞生，其间用了近半个世年第一台激光器诞生，其间用了近半个世年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什纪，而实际上却没

30、有太多理论上的突破，为什纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？么激光器没有早半个世纪诞生？么激光器没有早半个世纪诞生？么激光器没有早半个世纪诞生？为什么各类第一台激光器都是诞生在为什么各类第一台激光器都是诞生在为什么各类第一台激光器都是诞生在为什么各类第一台激光器都是诞生在IBMIBM、GEGE、BELLBELL实验室？实验室？实验室？实验室？1.2激光的发展激光的发展发展发展发展发展 更大更大更大更大 为了进行高能物理、热为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。密度和功率不断提高。现

31、在世界上功率最大的现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点激光器是美国的国家点火工程（火工程（NIFNIF）中使用的）中使用的NOVANOVA激光系统，其峰激光系统，其峰值功率达到值功率达到1.3PW1.3PW（10101515WW），该系），该系统有望在统有望在20102010投入使用。投入使用。1.2激光的发展激光的发展NIS已经于已经于2009年点火成功，年点火成功，2010年报道年报道的单脉冲能量达到的单脉冲能量达到1MJ，峰值功率，峰值功率1015W以以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的的500倍以上。倍以上。1.2激光的发展激光的发展 目前，

32、神光目前，神光目前，神光目前，神光-原型装置原型装置原型装置原型装置“十五十五十五十五”建设目标已圆满完成，达到建设目标已圆满完成，达到建设目标已圆满完成，达到建设目标已圆满完成，达到“8“8束出光，脉束出光，脉束出光，脉束出光，脉冲冲冲冲-万焦耳万焦耳万焦耳万焦耳”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代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成

33、为继美国之后世界上第二个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。具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。1.2激光的发展激光的发展更小更小更小更小 各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；展；1.2激光的发展激光的发

34、展更集成更集成更集成更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几各种通信用的激光模块，往往包含十几各种通信用的激光模块，往往包含十几各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了个甚至几十个半导体激光器，并且集成了个甚至几十个半导体激光器，并且集成了个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。调制、功率检测、温度监测等功能模块。调制、功率检测、温度监测等功能模块。调制、功率检测、温度监测等功能模块。1.2激光的发展激光的发展 更快更快更快更快 更高的调制频率：更高的调制频率：GHzGHz；更短的脉冲宽度：阿秒脉冲更短的脉冲宽度：阿秒脉冲(atto

35、secondLaser)(attosecondLaser)；德国德国MaxPlanckMaxPlanck量子光学研究中心成功产生了脉冲宽度小于量子光学研究中心成功产生了脉冲宽度小于1 1飞秒（飞秒（1010-15-15s s）的光脉冲，这一发光时间小于可见光波长的一）的光脉冲，这一发光时间小于可见光波长的一个振荡周期。个振荡周期。1.2激光的发展激光的发展更多样化更多样化更多样化更多样化 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（多样化的工作物质：固体（NdNd：YAGYAG）、气体）

36、、气体（He-NeHe-Ne、CO2CO2）、液体、染料、半导体、自由电）、液体、染料、半导体、自由电子等；子等；1.3激光的应用激光的应用从科幻到现实从科幻到现实第一个描述激光的作品？第一个描述激光的作品？第一个描述激光的作品？第一个描述激光的作品？威尔斯在威尔斯在18981898年的小说世界大战（火星人入侵）年的小说世界大战（火星人入侵）：“由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热见光，而是某种热”COCO2 2激光器，由激光器，由COCO2 2作

37、为工作物质，通过放电激发作为工作物质，通过放电激发产生产生10.6um10.6um的红外激光，肉眼不可见，其输出方式的红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统；多为抛物镜构成的反射望远镜系统；火星大气充满火星大气充满COCO2 2，并且有强烈的大气放电（闪电），并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天然的激光；，因此可能存在天然的激光；1.3激光的应用激光的应用激光的实际应用激光的实际应用激光的实际应用激光的实际应用 工业应用：工业应用：工业应用：工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；

38、焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；表面处理；芯片刻蚀等。芯片刻蚀等。1.3激光的应用激光的应用医疗：医疗：医疗：医疗：最早的激光医疗应用：最早的激光医疗应用：19611961年年1212月在哥伦比亚长老会医院用红月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；疗；肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视治眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；疗；美容；美容；外科手术等。外科手术等。1.3激光的应用激光的应用 科研：科研：科研：科研：19711971年，年，年，年，DennisGaborDennisGabor因为在因为在19461946年年至至195

39、11951年间发表的一系列文章提出了光年间发表的一系列文章提出了光学全息术而获得诺贝尔物理学奖，然而学全息术而获得诺贝尔物理学奖，然而真正的全息照相直到激光器被发明才成真正的全息照相直到激光器被发明才成为现实。为现实。1985:1985:StevenChuStevenChu等人研究出了利用激等人研究出了利用激光束冷冻、捕捉原子的方法，这一方法光束冷冻、捕捉原子的方法，这一方法对于研究基础物理现象和以空前的精度对于研究基础物理现象和以空前的精度测量重要物理量起到了重要的作用，他测量重要物理量起到了重要的作用，他们因此获得了们因此获得了19971997年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。1.3激光

40、的应用激光的应用 20012001年年EricCornellEricCornell等人由于在波色等人由于在波色等人由于在波色等人由于在波色-爱因爱因爱因爱因斯坦凝聚态方面的研究获得诺贝尔物理学斯坦凝聚态方面的研究获得诺贝尔物理学斯坦凝聚态方面的研究获得诺贝尔物理学斯坦凝聚态方面的研究获得诺贝尔物理学奖；奖；奖；奖；“fortheachievementofBose-Einstein“fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms.”condensationindilutegasesofalkaliato

41、ms.”20052005年年年年RoyJ.GlauberRoyJ.Glauber等人由于在基于激等人由于在基于激等人由于在基于激等人由于在基于激光的高精度光谱测量领域的贡献获得诺贝光的高精度光谱测量领域的贡献获得诺贝光的高精度光谱测量领域的贡献获得诺贝光的高精度光谱测量领域的贡献获得诺贝尔物理学奖；尔物理学奖；尔物理学奖；尔物理学奖；“fortheircontributionstothe“fortheircontributionstothedevelopmentoflaser-basedprecisionspectroscopy,developmentoflaser-basedprecisio

42、nspectroscopy,includingtheopticalfrequencycombtechnique”includingtheopticalfrequencycombtechnique”20092009年高锟等人由于在光纤通讯领域的贡年高锟等人由于在光纤通讯领域的贡年高锟等人由于在光纤通讯领域的贡年高锟等人由于在光纤通讯领域的贡献获得诺贝尔物理学奖献获得诺贝尔物理学奖献获得诺贝尔物理学奖献获得诺贝尔物理学奖；fortheirfortheirgroundbreakingachievementsconcerningthegroundbreakingachievementsconcerni

43、ngthetransmissionoflightinfibersforopticaltransmissionoflightinfibersforopticalcommunicationcommunication1.3激光的应用激光的应用确定地月距离确定地月距离 登月是登月是2020世纪最大的骗局？世纪最大的骗局？19691969年阿波罗年阿波罗1515号在登月时号在登月时带上了一套特别设备带上了一套特别设备大型大型角反射器，用来反射从地球发角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径激光

44、发散角很小，其光斑半径在月面上小于在月面上小于1km1km，而普通探，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。球的直径。1.3激光的应用激光的应用军事军事激光测距激光测距激光测距激光测距直接摧毁直接摧毁直接摧毁直接摧毁激光制导激光制导激光制导激光制导1.3激光的应用激光的应用其他其他条码扫描条码扫描条码扫描条码扫描照明、成像照明、成像照明、成像照明、成像通讯通讯通讯通讯娱乐娱乐娱乐娱乐激光原理与技术激光原理与技术原理部分原理部分第二讲第二讲激光产生机理与特性激光产生机理与特性2.0理论体系理论体系经典理论（经典理论（经典理论（经典理论（ClassicalLaser

45、TheoryClassicalLaserTheory）电磁场麦克斯韦方程组；原子电偶极振子电磁场麦克斯韦方程组；原子电偶极振子电磁场麦克斯韦方程组；原子电偶极振子电磁场麦克斯韦方程组；原子电偶极振子半经典理论（半经典理论（半经典理论（半经典理论（SemiclassicalLaserTheorySemiclassicalLaserTheory）电磁场麦克斯韦方程组；原子量子力学描述电磁场麦克斯韦方程组；原子量子力学描述电磁场麦克斯韦方程组；原子量子力学描述电磁场麦克斯韦方程组；原子量子力学描述量子理论（量子理论（量子理论（量子理论（QuantumLaserTheoryQuantumLaserTh

46、eory）电磁场和原子电磁场和原子电磁场和原子电磁场和原子二者作为一个统一的物理体系作量二者作为一个统一的物理体系作量二者作为一个统一的物理体系作量二者作为一个统一的物理体系作量子化处理子化处理子化处理子化处理速率方程理论（速率方程理论（速率方程理论（速率方程理论（RateEquationTheoryRateEquationTheory）量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性的起伏特性的起伏特性的起伏特性2.0理论体系理论体系激光器的严格理

47、论是建立在量子电动力学激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性；光器的全部特性；不同近似程度的理论用来描述激光器的不不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论；选择合适的近似理论；本课程主要用到的理论是本课程主要用到的理论是经典理论经典理论和和速率速率方程方程。2.1激光产生的机理激光产生的机理黑体辐射与普朗克公式黑体辐射与普朗克公式黑体辐射与普朗克公式黑体辐

48、射与普朗克公式 黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为则称此物体为则称此物体为则称此物体为绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对或黑体。自然界中不存在绝对或黑体。自然界中不存在绝对或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度

49、的热平衡状态，黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这完全相等，即处于能量平衡状态，这完全相等，即处于能量平衡状态，这完全相等，即处于能量平衡状态，这将导致空腔内存在完全将导致空腔内存在完全将导致空腔内存在完全将导致空腔内存在完全确定确定确定确定的辐射场。的辐射场。的辐射场。的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。这种辐射场称为黑体辐射

50、或平衡辐射。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。2.1激光产生的机理激光产生的机理普朗克公式：普朗克公式：普朗克公式：普朗克公式：黑体辐射是黑体温度黑体辐射是黑体温度T T和辐射场频率和辐射场频率 的函数，并可的函数，并可以用以用单单色能量密度色能量密度 描述，描述，表示表示单单位体位体积积内，内，频频率率处处于于 附近的附近的单单位位频频率率间间隔中的隔中的电电磁磁辐辐射能量，射能量，其量其量纲为纲为 。为为了解了解释实验测释实验测得的得的 分布分布规规律，普朗克提出律，普朗克提出了量子化假了量子化假设设，并得到了普朗克公式：在温度，并得到了普朗克公式：在温度