當代物理前緣問題

1、講座之三講座之三l1960年，在光學(xué)發(fā)展歷史上發(fā)生了不尋年，在光學(xué)發(fā)展歷史上發(fā)生了不尋常的事件常的事件:激光器激光器-一種具有極高亮度一種具有極高亮度和極好單色性的新型光源和極好單色性的新型光源-誕生了誕生了.激光器的發(fā)明開創(chuàng)了一個光學(xué)新時代，激光器的發(fā)明開創(chuàng)了一個光學(xué)新時代，發(fā)展了一門高技術(shù)。人們是怎樣開創(chuàng)激發(fā)展了一門高技術(shù)。人們是怎樣開創(chuàng)激光的歷史的，光的歷史的， 激光又是怎樣產(chǎn)生的，激光又是怎樣產(chǎn)生的，在國民經(jīng)濟建設(shè)中有些什么作用，今后在國民經(jīng)濟建設(shè)中有些什么作用，今后的發(fā)展情況又將如何？的發(fā)展情況又將如何？ l1.1相干電磁波譜的擴展相干電磁波譜的擴展l1.2湯斯和肖洛的光激射器理論湯

2、斯和肖洛的光激射器理論l微波激射器和光學(xué)激射器有三方面微波激射器和光學(xué)激射器有三方面的差別：的差別：la使用的共振腔性質(zhì)不同使用的共振腔性質(zhì)不同lb頻率的調(diào)諧性頻率的調(diào)諧性lc本底噪聲本底噪聲 l1.3梅曼制成世界上第一臺激光器梅曼制成世界上第一臺激光器l1.4我國的第一臺激光器我國的第一臺激光器 l1.5激光器之名的由來激光器之名的由來l我國第一臺激光器在我國第一臺激光器在1961年年9月問世，但一直到月問世，但一直到1964年年底還沒有一個統(tǒng)一的名字。有人根據(jù)底還沒有一個統(tǒng)一的名字。有人根據(jù)Laser的發(fā)音稱作的發(fā)音稱作“萊塞萊塞”和和“雷射雷射”；有人根據(jù)；有人根據(jù)Laser原來的含義原

3、來的含義Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，把，把它稱做它稱做“光受激發(fā)射放大器光受激發(fā)射放大器”；有人根據(jù)這種新光源是；有人根據(jù)這種新光源是從微波激射器演變至光學(xué)波段的，把它稱做從微波激射器演變至光學(xué)波段的，把它稱做“光激射光激射器器”。此外還有。此外還有“光量子放大器光量子放大器”、“光量子振蕩器光量子振蕩器”等。同一樣?xùn)|西，叫法不一樣，會造成混亂，不便于學(xué)等。同一樣?xùn)|西，叫法不一樣，會造成混亂，不便于學(xué)術(shù)交流，也不利于發(fā)展激光技術(shù)應(yīng)用。術(shù)交流，也不利于發(fā)展激光技術(shù)應(yīng)用。1964年年12月，在月，在準備召開全國第三

4、屆受激輻射學(xué)術(shù)會議的前夕，準備召開全國第三屆受激輻射學(xué)術(shù)會議的前夕，“光受光受激輻射激輻射”雜志編輯部給著名科學(xué)家錢學(xué)森教授寫了一封雜志編輯部給著名科學(xué)家錢學(xué)森教授寫了一封信，請他給信，請他給Laser起個中國名字，不久，錢學(xué)森教授給起個中國名字，不久，錢學(xué)森教授給編輯部寫了回信：編輯部寫了回信：l“我有一個小建議，光受激發(fā)射這個名稱似乎太長，說我有一個小建議，光受激發(fā)射這個名稱似乎太長，說起來費事。能不能就稱起來費事。能不能就稱激光激光？” l二、激光器的基本原理二、激光器的基本原理l2.1自發(fā)輻射與受激輻射自發(fā)輻射與受激輻射l假定原子從能級假定原子從能級E2往能級往能級E1（E2 E1）自

5、發(fā)輻）自發(fā)輻射躍遷到某個模的速率為射躍遷到某個模的速率為A12，作受激輻射躍遷，作受激輻射躍遷到這個模的速率為到這個模的速率為B12，那么這兩個速率的比值，那么這兩個速率的比值為為l B12 /A12=nel式中的式中的ne是在這個模式中的光子數(shù)目（也稱光子是在這個模式中的光子數(shù)目（也稱光子兼并度）。普通光源輻射頻率分布和輻射強度基兼并度）。普通光源輻射頻率分布和輻射強度基本上是由光源的溫度本上是由光源的溫度T來決定，在某個模的光子來決定，在某個模的光子數(shù)由下式給出：數(shù)由下式給出： 1)/exp(1kThvnel2.2負溫度l負溫度是對光源中處于高能態(tài)的原子數(shù)目比處于低能態(tài)的原子數(shù)目多的一種狀

6、態(tài)的表述。假定光源中處在高能態(tài)E2的原子數(shù)目為N2，在低能態(tài)E1的原子數(shù)目為N1，那么，根據(jù)描述在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下原子按照能級分布的波爾茲曼分布規(guī)律，這光源的溫度T是l因為E2 -E10，所以N2 N1,由該式看到，光源的溫度T是“負值”。 )/ln(1212NNkEETl2.3激光的增益激光的增益 )(exp)0()()()()()()(8)/()(221212zGIzIdzzIGdzWzdIfnIggNNWfl2.4激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)l激光器基本上由三部分組成：激光器基本上由三部分組成：la工作物質(zhì)工作物質(zhì)l（1）光學(xué)性質(zhì)均勻，光學(xué)透明性良好，且性）光學(xué)性質(zhì)均勻，光學(xué)透明性良好，且性

7、能穩(wěn)定，能穩(wěn)定， l（2）有能級壽命比較長的能級（稱為亞穩(wěn)態(tài)）有能級壽命比較長的能級（稱為亞穩(wěn)態(tài)能級）；能級）； l（3）有比較高的量子效率。）有比較高的量子效率。 lb共振腔共振腔l（1） 正反饋作用正反饋作用l（2） 選模作用選模作用lc泵浦源泵浦源l泵浦源是向工作物質(zhì)供給能量，泵浦源是向工作物質(zhì)供給能量，把原子、分子從基態(tài)激發(fā)到高能把原子、分子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并且形成負溫狀態(tài)的能源。態(tài)，并且形成負溫狀態(tài)的能源。常用的泵浦源有：常用的泵浦源有：l（1）光學(xué)泵浦。（）光學(xué)泵浦。（2）氣體放電）氣體放電泵浦。（泵浦。（3）李子束泵浦。（）李子束泵浦。（4）化學(xué)泵浦?；瘜W(xué)泵浦。 l2.5激光

8、器的振蕩條件激光器的振蕩條件 222122212121)1()(1ln181ln8)/(1RllnNRlnggNNNeffRlGl2.6模和激光振蕩模模和激光振蕩模l模是激光理論中的基本概念。從光學(xué)的模是激光理論中的基本概念。從光學(xué)的波動觀點來看，模是指電磁波動的一種波動觀點來看，模是指電磁波動的一種類型，實際上也是存在于空腔中各種不類型，實際上也是存在于空腔中各種不同頻率的駐波；從光的粒子觀點看，模同頻率的駐波；從光的粒子觀點看，模是代表了可以相互區(qū)分的光子態(tài)。在各是代表了可以相互區(qū)分的光子態(tài)。在各向同性的空間內(nèi)，單位體積的模數(shù)向同性的空間內(nèi)，單位體積的模數(shù)N為為 328cNl TEMTEM

9、0000TEMTEM1010TEMTEM2 20 0TEMTEM3030TEMTEM4040y yx xl2.7調(diào)調(diào)Q和和Q開關(guān)（品質(zhì)因子）開關(guān)（品質(zhì)因子）l l常用的常用的Q開關(guān)有如下幾種：開關(guān)有如下幾種：la可飽和吸收體可飽和吸收體Q開關(guān)開關(guān)lb電光電光Q開關(guān)開關(guān)lc機械機械Q開關(guān)開關(guān) 每秒損失的能量腔內(nèi)存儲的能量2Q 工 作 物 質(zhì)M1M2可飽和可飽和燃料盒燃料盒可飽和吸收體可飽和吸收體Q開關(guān)開關(guān)M1M2 激 光 棒V電光電光Q開關(guān)開關(guān)起偏器起偏器普克爾盒普克爾盒l(wèi)2.8鎖模鎖模l2.9激光器件激光器件l(1)釹玻璃激光器釹玻璃激光器（2）釔鋁石榴石激光器）釔鋁石榴石激光器（3）氦）氦-

10、氖激光器氖激光器（4）CO2激光器激光器（5）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 l3、激光技術(shù)應(yīng)用、激光技術(shù)應(yīng)用l3.1激光的特性激光的特性l（1）方向性好（）方向性好（2）單色性好（）單色性好（3）相干性）相干性極好（極好（4）光脈沖寬度可以調(diào)節(jié)）光脈沖寬度可以調(diào)節(jié)l3.2激光精密計量激光精密計量l（1）激光長度基準（）激光長度基準（2）長度測量（）長度測量（3）測）測距和測速（距和測速（4）激光準直導(dǎo)向（）激光準直導(dǎo)向（5）激光表）激光表面質(zhì)量檢測面質(zhì)量檢測l3.3激光信息處理激光信息處理l（1）光盤（）光盤（2）光通信（）光通信（3）光計算）光計算l3.4強激光的應(yīng)用強激光的應(yīng)

11、用l（1）激光加工（）激光加工（2）激光分離同位素（）激光分離同位素（3）激光核聚變激光核聚變l3.5激光醫(yī)學(xué)激光醫(yī)學(xué)l（激光刀（激光刀（2）光凝治療（）光凝治療（3）光照射治療）光照射治療l3.6激光生物應(yīng)用激光生物應(yīng)用l3.7激光武器激光武器l（1）射擊速度快（）射擊速度快（2）無慣性）無慣性l3.8科學(xué)實驗應(yīng)用科學(xué)實驗應(yīng)用（1）非線性光學(xué)（）非線性光學(xué)（2）激光光譜（）激光光譜（3）激光微）激光微束束 l4、激光技術(shù)的發(fā)展、激光技術(shù)的發(fā)展l激光器的發(fā)明已有激光器的發(fā)明已有30多年，對提高生多年，對提高生產(chǎn)技術(shù)水平意義重大，并將促進形成產(chǎn)技術(shù)水平意義重大，并將促進形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其中主要有：新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其中主要有：l4.1建立激光產(chǎn)業(yè)建立激光產(chǎn)業(yè)l（1）激光加工產(chǎn)業(yè)（）激光加工產(chǎn)業(yè)（2）激光印刷產(chǎn)）激光印刷產(chǎn)業(yè)（業(yè)（3）激光光盤產(chǎn)業(yè)（）激光光盤產(chǎn)業(yè)（4）光纖通信）光纖通信產(chǎn)業(yè)（產(chǎn)業(yè)（5）激光醫(yī)療產(chǎn)業(yè)）激光醫(yī)療產(chǎn)業(yè)l4.2發(fā)展短波長和長波長激光技術(shù)發(fā)展短波長和長波長激光技術(shù)l（1）利用分子的受激發(fā)射）利用分子的受激發(fā)射l（2）利用非線性光學(xué)效應(yīng)）利用非線