激光原理-概述

1、激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)(2014年秋季學期)張春峰南京大學物理學院課程內(nèi)容1.1. 概述：激光發(fā)展概述：激光發(fā)展簡史簡史2.2. 光學增益光學增益產(chǎn)生產(chǎn)生的的基本原理基本原理a.a.自發(fā)輻射自發(fā)輻射，受激輻射受激輻射b.b.輻射輻射和原子和原子相互作用相互作用c.c.半導體半導體中的能級中的能級躍遷躍遷3.3. 速率方程速率方程4.4. 高斯光束高斯光束與光學諧振腔與光學諧振腔5.5. 相干性相干性6.6. 頻域與時域線寬頻域與時域線寬7.7. 調(diào)調(diào)Q Q與鎖模與鎖模技術(shù)技術(shù)8.8. 激光頻率轉(zhuǎn)變激光頻率轉(zhuǎn)變 9.9. 典型激光器典型激光器10.10. 激光光譜學激光光譜學方法方法參考書

2、目 （第6版）周炳琨，國防工業(yè)出版社 Principles of Lasers Orazio Svelto APS, AIP, NPG等雜志社期刊知識儲備普通物理光學，量子力學初步考查方式考查方式 期中考試 50% 平時表現(xiàn) 50% 作業(yè) 25% 項目 25%下半學期前兩學時 課程教學，第三節(jié)課同學項目報告2022-4-105激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)第一章 概 述光：波粒二象性 (wave-particle duality) 2022-4-107Wavelength (m)ScaleFrequency (Hz)Photon & Electromagnetic wave2022-4-

3、108160017001800190020002100萌芽時期幾何光學波動光學量子光學/現(xiàn)代光學9LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation1、gain medium2、pumping source3、cavity4、output coupler5、laser beamCoherenceSpatial coherenceTemporal coherenceThe foundation of lasersThe great mind曼哈頓計劃C. TownsThe concept of “stimulated emis

4、sion” (Einstein, 1916)“MASER” (pulse) (Charles H Townes, 1954, with J.Gordon, H. Zeiger)“MASER” (cw) (N. Basov & A. Prokhorov)Nobel Laureates 1964N. Basov A. ProkhorovGordon GouldA. SchawlowC. TownsThe competitionOptical maserLaser(Nobel Laureate 1981)T. MaimanTRGRuby, 1960Pulse red laserU3+:CaF

5、2 (Four level system, 1960)P. Sorokin & M.J. StevensonHeNe (1961)A.Javan2022-4-1013Ruby was ruled out (Wilde & Schalow)Pulse operationAnother episode related to masersT. MaimanLaser OdysseyWillis LambCalifornia Man Invented Death Ray, Laser 科學家很難判斷研究工作的價值和影響，愛因斯坦做不到，梅曼也做不到1964: Alexsander M.

6、 Prokhorov, Charles H. Townes, and Nicolay G. Basov (量子電子學與激光理論,導致激光的實現(xiàn))。1981: Nicolaas Bloembergen & Arthur L. Schawlow (激光光譜與非線性光學)。Ruby 1960年, 梅曼 (T. Maiman)2022-4-1014Commercial laser sources2022-4-1015Milestones2022-4-1016Nat. Photonics 4, 281 (2010)中國各類激光器的“第一臺” 名 稱研制成功時間 研 制 人 紅寶石激光器1961年

7、9月王之江等He-Ne激光器1963年7月 鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等1918, Quanta (Planck)1921, Einstein1947, Stimulated emission in hydrogen (Lamb & Reherford)1950, Optical pump.(Kastler)1964, Maser (Townes, Basov, Pro

8、khorov)1971, Holography (Gabor)1981, Laser spectroscopy & Nonlinear optics (Bloembergen & Schawlow)1989, Atomic clock (Ramsey)1997, Laser cooling and trapping (Chu, Cohen-Tannoudji, & Phillips)1999, Femtochemistry (Zewail)2001, BEC (Cornell, Ketterle, &Wieman)2005, Frequency comb (Ha

9、ll & Hansch); Quantum theory of optical coherence (Glauber)2009, Optical fiber (Kao), CCD (Boyle & Smith)2014, Blue LED (Akasaki, Amano, & Nakamura)Black Body Emission2022-4-1019Max Planck, 19000.00.51.01.52.02.53.03.54.0 R/RWavelength (m) Rayleigh-Jeans Wien Planck2022-4-102050010001500

10、20002500Wavelength (nm) Solar Spectrum Blackbody Emission 5200KMax Planck 190121Light AmplificationAlbert Einstein, 190522Light Amplification23Light Amplification loss spontaneous emissionamplification24Light Amplification25Light Amplification26Light AmplificationFour-level system激發(fā)閾值27NOVA ( LLNL 實

11、驗室)足球場大小740mm口徑100kJ/25ns放大后100TW (100ps) (全球電量3TW)國家點火裝置(NLF)-雅典娜 (投資12億美元)Yb:glass 主振-192 路光束放大-1.8 MJThe most powerful laser世界上最小的激光器The University of Texas at Austin，施至剛 教授&臺灣清華大學，果尚志 教授Science 337, 450 (2012) 更集成 各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個甚至幾十個半導體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測、溫度監(jiān)測等功能模塊。29 更快- 更高的調(diào)制頻率：更高的調(diào)制頻率：GH

12、z；- 更短的脈沖寬度：飛秒激光器更短的脈沖寬度：飛秒激光器(Femtosecond Laser)； 阿秒激光器阿秒激光器(Attosecond Laser) 更多樣化- 多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學能泵浦、多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；熱泵浦等、磁泵浦；- 多樣化的工作物質(zhì)：固體（多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導體、自由電子等；）、液體、染料、半導體、自由電子等；302022-4-10312022-4-1032固態(tài)激光器氣體激光器光纖激光器半導體激光器半導體激光器2022-4-1033與

13、普通光的區(qū)別低于振蕩閾值高于振蕩閾值v 極佳單色性v 極高相干性v 極好方向性v 極高強度(極高亮度)時間相干性空間相干性560 580 600 620560 580 600 620激光器泵浦光強激光光強閾值34激光器 35波長400nm700nm 同一地點不同時刻的光之間的相干性 1 / tvLct36相干長度可達幾十公里373 3、： 單位截面和單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率 38pBS SrmW10216BSp脈沖瞬時功率可達10 14 W 217W/cm10I可產(chǎn)生108 K的高溫，引起核聚變。激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。39

14、（1）大氣激光通信1960年，激光器誕生后幾個月后，貝爾實驗室的科學家試驗成功大氣光通信，距離為25英里。缺點：由于天氣和障礙物的影響，加上地球表面為球形，光的直線傳播距離很短。激光通信（2）空間激光通信在接近真空的環(huán)境下進行的激光通信，如衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的通信。優(yōu)點：激光在真空中傳播衰減小，可用小功率激光器實現(xiàn)遠距離通信。 （3）水下通信。利用波長為0.460.53m的蘭綠色激光（能穿透幾百到幾千米海水）在海水中進行通信。（4）激光光纖通信：讓載有信號的激光束通過光導纖維傳輸至對方以實現(xiàn)通信的方法。激光全息（1）全息照相普通照相僅僅記錄光波的強度，丟失了光波的相位信息；全息照相借助于物體的物光

15、和另外一束簡單的參考光的干涉，同時記錄來自物體光波的振幅和相位，也就是記錄了光波所承載的全部信息。具有長相干長度的激光誕生后，開始了全息的新紀元。（2）全息防偽激光醫(yī)學（1）強激光治療利用激光的光熱效應對組織進行凝固、汽化或切割，從而消除病變。出血少，操作定為精確，非接觸，無菌，對周圍組織損傷小。人體組織75%以上是水臨床上最早用于強激光治療的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激光。CO2激光，10.6um，廣泛用于治療皮膚科、婦科、普外科多種疾病，如色素痣，老年斑等。Ho:YAG激光，2.062.09um，接近水在2.0um附近的吸收峰，具有理想的切割、汽化和凝聚組織止血效果，可

16、以通過光纖傳導，應用于各內(nèi)窺鏡手術(shù)，如食道、胃、腸鏡下治療息肉。Ar+激光器，血紅蛋白是人體組織中的另一種主要吸光基團,血紅蛋白對Ar+ 激光(488nm、514nm)的吸收率高,所以Ar+ 激光凝固作用好,切割作用差。激光近視眼校正用準分子激光通過對角膜瓣下基質(zhì)層進行屈光性切削，從而降低瞳孔區(qū)的角膜曲率，達到矯正近視的目的。 （2）弱激光治療弱激光又稱為低強度、低水平激光.弱激光作用于生物組織時,不造成生物組織不可逆的損傷,但可以刺激機體產(chǎn)生一系列的生理生化反應,對組織或機體起到調(diào)節(jié)、增強或抑制的作用,從而達到治病的目的.機制目前不是很清晰。激光理療，用于口腔潰瘍、甲溝炎和皮膚帶狀皰疹等。激

17、光針灸治療，包括損傷、甲狀腺功能亢進、高血脂和高血壓等。用于弱激光治療的激光器波長632.8nm 的He-Ne激光波長630690nm 半導體激光器和波長780980nm半導體激光器激光光動力治療利用激光的光化學效應,即在有氧條件下光敏劑經(jīng)激光激發(fā)后,經(jīng)過一系列光化學反應,產(chǎn)生大量活性氧物質(zhì),從而損傷靶組織達到治療的目的。臨床診斷技術(shù)激光多普勒技術(shù)，利用多普勒效應，測定局部組織的血流。光學相干斷層成像（OCT）技術(shù)：它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。 新能源（激光核聚變）神光III激光裝置能量100kJ/0.35um (60TW)脈寬：3ns完成時間：2012“激光核聚變與高功率激光：歷史與進展”，物理39卷，589 （2010）非線性光學1961年，F(xiàn)ranken，第一個倍頻實驗Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961) “Generation of Optical Harmonics”光參量振蕩光學自聚焦光學相位共軛光學雙穩(wěn)